1 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Влияют кулачки на работу двигателя

О компании

Статьи

VTEC: изящное решение без потери мощности

Изящное решение без потери мощности

Аббревиатура VTEC полностью расшифровывается следующим образом — Variable Valve Timing and Lift Electronic Control. В переводе на русский язык означает «электронная система управления временем открытия и высотой подъема клапанов» или, если говорить языком специалистов, электронная система регулировки фаз газораспределения. Этот механизм предназначен для того, чтобы оптимизировать прохождение воздушно-топливной смеси в камеры сгорания.

Двигатель внутреннего сгорания преобразует химическую энергию, накопленную в топливе, в тепловую. Такое преобразование происходит во время сгорания горючей смеси. При этом возрастает температура и давление в цилиндре. Под давлением поршни двигателя опускаются вниз и, толкая коленчатый вал, приводят его в движение. Так химическая энергия преобразуется в механическое движение. Механическая сила определяется величиной крутящего момента. Способность двигателя поддерживать некоторую величину крутящего момента при некотором числе оборотов в минуту определяется как мощность. Мощность определяет, какую работу может производить двигатель. Весь процесс, осуществляемый двигателем внутреннего сгорания, не эффективен на 100%. На самом деле всего около 30% энергии, содержащейся в топливе, преобразуются в механическую энергию.

Теоретическая физика говорит о том, что при данном КПД для достижения высокой отдачи от мотора необходимо использовать больше топлива: в результате существенно возрастет мощность. Очевидно, что в этом случае нужно использовать двигатель с огромным рабочим объемом и поступиться принципами экономичности. Другой метод диктует необходимость предварительно сжимать топливную смесь посредством турбины и затем сжигать ее в цилиндрах небольшого размера. Однако и в этом случае расход топлива будет пугающим. В свое время концерн Honda пошел по иному пути, начав исследования с целью оптимизации работы двигателя внутреннего сгорания. В результате появилась технология VTEC, наделяющая мотор отменной экономичностью на низких оборотах и высокой мощностью при его «раскручивании».

Два алгоритма

Если сравнить скоростные характеристики различных двигателей, то нетрудно заметить, что у одних максимум крутящего момента достигается на низких оборотах (в диапазоне 1800-3000 об/мин), у других — на более высоких (в диапазоне 3000-4500 об/мин). Оказывается, есть зависимость между тем, каким образом на распределительном валу установлены кулачки, открывающие клапаны, и тем, какую мощность развивает мотор на различных оборотах коленчатого вала. Чтобы понять, чем это вызвано, представьте себе двигатель, работающий крайне медленно. Например, при 10-20 оборотах в минуту рабочий цикл в одном цилиндре занимает 1 секунду. При опускании поршня впускной клапан открывается, позволяя горючей смеси наполнить цилиндр, и закрывается, когда поршень достигает нижней мертвой точки. После завершения цикла сгорания поршень начнет движение вверх. При этом откроется выпускной клапан, позволив отработавшим газам покинуть рабочий объем цилиндра и закроется, когда поршень достигнет верхней мертвой точки. Такой алгоритм был бы идеален, если бы мотор работал на минимуме оборотов. Однако в реальной жизни двигатель куда энергичней.

С ростом ритма работы мотора описанный алгоритм просто не выдерживает критики. Если число оборотов коленвала достигает 4000 в минуту, клапаны открываются и закрываются 2000 раз ежеминутно, или 30-40 раз каждую секунду. На такой скорости поршню чрезвычайно сложно всосать в цилиндр необходимый объем горючей смеси. То есть в результате впускного сопротивления возникают насосные потери, и это главная причина, по которой уменьшается эффективность работы двигателя. Для облегчения участи мотора при работе на больших оборотах приходится, например, шире открывать впускной клапан. Разумеется, это упрощенное описание работы, но оно дает общее представление. Однако на малых оборотах такой алгоритм не годится: настройка распредвала «на скорость» лишь увеличит расход топлива. Следовательно, для лучшей эффективности нужно сочетать оба алгоритма работы, которые воплощены в механизме VTEC.

Появившись в 1989 году, система VTEC дважды модернизировалась, и сегодня мы имеем дело с ее третьей серией. Система VTEC использует возможности электроники и механики и позволяет двигателю эффективно распоряжаться возможностями сразу двух распредвалов, или, в упрощенных версиях, одного. Контролируя число оборотов и диапазоны работы силового агрегата, его компьютер может активизировать дополнительные кулачки с тем, чтобы подобрать наилучший режим работы.

В 1989 году на внутренний японский рынок поступили две модификации Honda Integra — RSi и XSi, использовавшие первый двигатель с системой DOHC VTEC. Ее силовой агрегат модели B16A при объеме 1,6 литра достигал мощности в 160 л.с., но при этом отличался хорошей тягой на низах, топливной экономичностью и экологической чистотой. Поклонники марки Honda до сих пор помнят и ценят этот великолепный мотор, тем более что его многократно усовершенствованный вариант и по сей день используется на моделях Civic.

Двигатель с системой DOHC VTEC имеет два pаспpедвала (один для впускных, другой для выпускных клапанов) и 4 клапана на цилиндр. Для каждой пары клапанов предусмотрена особая конструкция — группа из трех кулачков. Следовательно, если мы имеем дело с 4-цилиндровым 16-клапанным мотором с двумя распредвалами, то таких групп будет 8. Каждая группа занимается отдельной парой клапанов. Два кулачка расположены на внешних сторонах группы и отвечают за действие клапанов на низких оборотах, а средний подключается на высоких оборотах. Внешние кулачки непосредственно контактируют с клапанами: опускают их при помощи коромысел (рокеров). Отдельный средний кулачок до поры до времени вращается и вхолостую нажимает на свое коромысло, которое активируется при достижении определенного высокого числа оборотов коленвала. В дальнейшем эта центральная часть отвечает за открытие и закрытие клапанов, хотя и действует как специальный промежуточный механизм.

Когда двигатель работает на малом ходу, пары впускных и выпускных клапанов открываются соответствующими кулачками. Их форма, как и у большинства аналогичных моторов, выполнена в виде эллипса. Однако эти кулачки способны обеспечивать лишь экономичный режим работы двигателя и только на малых оборотах. При достижении высокой скорости вращения распредвала задействуется специальный механизм. «Незанятый» до этого работой средний кулачок вращался и без какого-либо эффекта нажимал на среднее коромысло, никак не связанное с клапанами. Однако во всех трех коромыслах предусмотрены отверстия, в которые под высоким давлением масла загоняется металлический пруток. Таким образом, группа жестко фиксируется и в дальнейшем работает как одно целое. Тут в работу вступает отдыхавший до этого средний кулачок. Он имеет более продолговатую форму и поэтому при его нажатии все три коромысла, а значит и клапана, опускаются гораздо ниже и на больший промежуток времени остаются открытыми. В этом случае двигатель может «дышать» свободнее, развивать и поддерживать высокий крутящий момент и хорошую мощность.


После успеха системы DOHC VTEC компания Honda с еще большим рвением подошла к развитию и использованию своей новации. Моторы с VTEC проявили себя как надежные и экономичные, стали реальной альтернативой увеличению рабочего объема или использованию турбин. Поэтому несколько позднее была представлена система SOHC VTEC. Подобно своему «коллеге» DOHC новинка также предназначалась для оптимизации работы двигателя в разных режимах. Но из-за простоты своей конструкции и более скромных показателей мощности двигатели с SOHC VTEC выпускались меньшими объемами. Одним из первых двигателей, использующих упрощенную систему, стал обновленный агрегат D15B, выдававший 130 л.с. при объеме в 1,5 л. Этот мотор с 1991 устанавливался года на Honda Civic.

В моторе SOHC предусмотрен один-единственный распредвал на весь блок цилиндров. Поэтому кулачки впускных и выпускных клапанов располагаются на одной оси. Однако здесь также предусмотрены группы-тройки, в каждой из которых есть один специальный центральный кулачок. Простота конструкции заключается в том, что в двух режимах — для низких и для высоких оборотов — могут работать только впускные клапана. Промежуточный механизм с дополнительным кулачком и коромыслом также как и в случае с DOHC VTEC перехватывает на себя открытие и закрытие впускных клапанов, в то время как выпускные всегда работают в постоянном режиме.

Может создаться впечатление, что SOHC VTEC в чем-то хуже, чем DOHC VTEC. Однако это не так: эта система имеет ряд преимуществ, среди которых простота конструкции, компактность двигателя за счет его незначительной ширины, меньший вес. Кроме того SOHC VTEC возможно вполне легко использовать на двигателях пpедыдущего поколения, тем самым модернизируя их. В итоге силовые агрегаты с SOHC VTEC достигают тех же результатов, пусть и не столь ярких и удивительных.

Если назначение описанных выше систем VTEC состоит в сочетании максимальной мощности на предельных оборотах и довольно уверенной, но экономичной работе на «низах», то VTEC-E призвана помочь двигателю в достижении предельной экономии.

Но прежде чем рассмотреть очередное изобретение Honda необходимо разобраться с теорией. Известно, что топливо предварительно смешивается с воздухом и затем воспламеняется в цилиндрах (есть еще иной вариант — непосредственный впрыск, при котором воздух и топливо поступают в цилиндры отдельно). На мощность двигателя также влияет и то, насколько однородна такая смесь. Дело в том, что на малых оборотах невысокая скорость потока при всасывании препятствует смешению топлива и воздуха. В результате на холостом ходу двигатель может работать неуверенно. Чтобы предотвратить это, в цилиндры поступает обогащенная топливом смесь, что сказывается на экономичности. Система VTEC-E способна обеспечить уверенную работу двигателя на малых оборотах на обедненной топливом горючей смеси. При этом также достигается существенная экономия. В отличие от других механизмов, в системе VTEC-E нет никаких дополнительных кулачков. Так как эта технология нацелена на снижение потребления топлива на малых оборотах, то и затрагивает она действие впускных клапанов. VTEC-E применяется только в SOHC-двигателях (с одним распредвалом) с четырьмя клапанами на цилиндp из-за его «склонности» к низкому расходу топлива.

В отличие от других VTEC-моторов, где кулачки имеют приблизительно одинаковый профиль, в силовых агрегатах с VTEC-E используются две конфигурации. Таким образом, впускные клапана приводятся в движение кулачками различной формы. Профиль одного из них имеет традиционную форму, а другой практически круглый — слегка овальный. Поэтому один из клапанов опускается в нормальном режиме, а другой едва приоткрывается. Горючая смесь проходит через нормальный клапан легко, а через приоткрытый — весьма скудно. Из-за несимметричности потоков поступающей смеси в цилиндре возникают причудливые завихpения, в которых воздух и топливо смешиваются должным образом. В результате двигатель может pаботать на бедной смеси. С увеличением оборотов концентрация топлива растет, но режим, при котором реально работает лишь один клапан, становится помехой. Поэтому, приблизительно при достижении 2500 об/мин коромысла замыкаются и приводятся в движение нормальным кулачком. Замыкание происходит точно так же как и в других системах VTEC.

Читать еще:  Что шумит в двигателе ваз 2113

Систему VTEC-E часто незаслуженно считают изобретением, нацеленным исключительно на экономию. Тем не менее, по сравнению с простыми моторами, агрегаты с таким механизмом не только экономичнее, но и мощнее. За экономию отвечает первый режим, в котором работает один клапан, а за показатели мощности — «чистокровный» VTEC, подразумевающий широкое открытие впускных клапанов. Если сравнить два аналогичных мотора, один из которых оборудован механизмом VTEC-E, то простой агрегат окажется на 6-9% слабее и прожорливей.

Трехрежимный SOHC VTEC

Этот механизм представляет собой объединение системы SOHC VTEC и SOHC VTEC-E. В отличие от всех описанных выше систем эта имеет не два режима работы, а три. В зоне низких оборотов система обеспечивает экономичный режим работы двигателя на обедненной топливовоздушной смеси (как VTEC-E). В этом случае используется только один из впускных клапанов. На средних оборотах в работу включается второй клапан, но фазы газораспределения и высота подъема клапанов не изменяются. Двигатель в этом случае реализует высокий крутящий момент. На режиме высоких оборотов оба клапана управляются одним центральным кулачком, отвечающим за снятие с двигателя максимальной мощности. Эта система достаточно универсальна. Так, например, двигатель объемом 1,5 литра с таким газораспределительным механизмом проявляет неплохую удельную мощность: 86 л.с. на 1 л. рабочего объема. Одновременно с этим, если двигатель работает в первом, экономичном 12-клапанном режиме, расход при движении с постоянной скоростью 60 км/ч на автомобиле Honda Civic составляет около 3,5 л на 100 км.

Буква «i» в названии означает intelligent, то есть «умный». Прежние версии VTEC способны регулировать степень открытия клапанов лишь в 2-3 режимах. Конструкция нового газораспределительного механизма i-VTEC предполагает использование помимо основной системы VTEC дополнительную систему VTC (Variable Timing Control), непрерывно регулирующую момент начала открытия впускных клапанов. Открытие впускных клапанов задается в зависимости от нагрузки двигателя и регулируется посредством изменения угла установки впускного распределительного вала относительно выпускного. В двигателях с i-VTEC распредвал крепится к приводному шкиву через специальную гайку-шестерню, которая способная «доворачивать» его на угол до 600.

Применение системы VTC на ряду с VTEC позволяет эффективнее наполнять цилиндры двигателя топливо-воздушной смесью, а также улучшить полноту ее сгорания. Использование механизма i-VTEC позволяет достичь приемистости эквивалентной двигателям с рабочим объемом 2 литра, при этом топливная экономичность даже лучше чем у 1,6 литрового двигателя.

Семейство газораспределительных механизмов VTEC не представляет собой ничего волшебного, но дает просто поразительный эффект. Моторы Honda прямо-таки умеют подстраиваться под нагрузку, предоставляя удивительную мощность при скромном рабочем объеме. И в то же время на холостом и малом ходах японские моторы поражают выдающейся экономичностью. Вполне возможно, что следующим этапом в развитии систем VTEC станет механизм с отдельными соленоидами на каждый клапан, что позволит с хирургической точностью регулировать открытие клапанов.

Кулачки анфас и в профиль

КУЛАЧКИ АНФАС И В ПРОФИЛЬ

Два года назад журнал рассказал о «резвом» распредвале для «москвичей» с уфимскими моторами (ЗР, 1995, № 4). Этот новый кулачковый вал заметно улучшает характеристики двигателя, в чем убедились многие читатели, ставшие клиентами фирмы-изготовителя «Мастер-Мотор». Вернуться к теме распредвалов побудили многочисленные письма автомобилистов, заинтересовавшихся новинкой. Наш корреспондент Антон ЧУЙКИН беседует с Анатолием РОЖКОВЫМ, разработчиком «резвых» валов и главным конструктором «Мастер-Мотора».

— Анатолий Павлович, какие цели вы преследуете, проектируя новый распредвал для старого (по конструкции) мотора?

— Задача — поднять кривую крутящего момента в области наиболее используемых рабочих режимов двигателя. Говоря проще, приблизить характеристики автомобиля к. троллейбусным. Это легкое троганье, уверенное движение при минимальных оборотах коленвала, хорошая приемистость и тяговитость.

— К слову, именно этим вы и соблазнили наших читателей. Автор одного письма — владелец «сорок первого» — отмечал, что с «резвым валом» его «Москвич» легче тянет груженый прицеп, по дороге на дачу переключать передачи можно значительно реже — машина уверенно берет подъемы на четвертой и даже пятой.

— Особенно внимательно мы относимся к «низам», то есть к частотам вращения коленвала от 1000 до 3500 об/мин, где и стремимся добиться наибольшего роста крутящего момента. В то же время стараемся не снизить мощность, хотя максимальное ее значение, как правило, представляет для обычного водителя только теоретический интерес — кто же ездит, держа стрелку тахометра за 5000 об/мин? А ведь максимальную мощность двигатель развивает, как правило, только в этом режиме. Впрочем, для спортсменов мы можем изготовить валы, прибавляющие именно мощность.

Чтобы получить желаемые результаты, мы выбираем оптимальные подъемы кулачков и их взаимное расположение на валу. Эта задача не слишком проста, достаточно упомянуть об ограничениях: кулачки и детали привода клапанов не должны испытывать контактные напряжения выше допустимых, рычаг (коромысло, толкатель) не должен отрываться от поверхности кулачка, клапанные пружины желательно не изменять, и т.д., и т.п.

Приведу интересный пример, иллюстрирующий разные подходы к проектированию распредвалов. Казалось бы, ясно, что впускные и выпускные клапаны должны работать по-разному — тем не менее на всех серийных двигателях ВАЗ и УЗАМ все кулачки на распределительном вале одинаковые (двигатели модернизированной «Нивы» VAZ 21213 и «Оки» не в счет — их валы проектировал ваш собеседник). На наших валах (и на некоторых «иномарочных») кулачки всегда разные.

— В чем же состоит ваш метод проектирования кулачков?

— В основе любой методики проектирования профиля (грубо говоря, формы кулачка) лежит своя теория расчета.

Раньше, когда под рукой не было точной вычислительной техники, способы расчета кулачка были, по сегодняшним меркам, простые. Широко использовали так называемый кулачок Курца — его профиль можно было рассчитать вручную. Естественно, он был далек от идеала.

Американцы придумали «полидайн» — кулачок, профиль которого описан полиномом (многочленом) высокой степени. Есть патент на профиль, в основе которого лежит ряд Фурье.

Меня к проектированию кулачков подвел известный лет 15–20 назад дефект «жигулевского» распредвала, страдавшего быстрым износом. Одна из причин была в негладкости профиля кулачка; моя задача — создать кулачок абсолютно гладкий, с плавным профилем, без резких переходов от одного участка к другому.

Вкратце скажу, что проектирование профиля «моего» кулачка начинается с его четвертой производной. Если она является гладкой кривой (а выбрать таковую в наших силах) — то и сам кулачок будет плавным и гладким «от природы».

— Выходит, новый профиль избавил «жигулевский» распредвал от ненормально быстрого износа?

— Да, в основном, хотя об этом широко не известно. Напомню — на рубеже 70-80-х годов вал для автомобилей ВАЗ стал лучшим подарком автолюбителю — дефицит этих деталей был страшный, а служили они очень недолго.

Кулачки первых двигателей закаливали ТВЧ, затем распредвал стали азотировать, наконец, применили отбел кулачков переплавом. Однако почему-то никто всерьез не рассматривал кинематику привода клапана, а между тем именно в ней была, считаю, причина всех бед. Изменение технологии только обнажило скрытый дефект.

Я в ту пору работал инженером на

ВАЗе и распредвалом, честно говоря, занялся случайно, как хобби. Анализ профиля кулачка показал, что на его вершине есть притупление, которое плохо влияет на работу всего механизма. Тщательные натурные исследования, эксперименты с тензометром и датчиком виброускорений тоже показали, что при прохождении вершины кулачка по рычагу привода клапана в механизме возникает повышенная вибрация, провоцирующая быстрый износ.

Оказывается, в профиле кулачка таилась ошибка. Разработчик (фирма ФИАТ) «разрезал» кулачок по оси, проходящей через вершину, раздвинул половинки и вставил в промежуток кусок цилиндра протяженностью три градуса, слегка его загладив (рис. 1). Очевидно, целью было увеличение «времени-сечения» открытия клапанов и лучшее наполнение цилиндра рабочей смесью. Такие решения известны на тихоходных судовых двигателях, но здесь прием сыграл злую шутку — «кусочный» профиль в быстроходном механизме приводил к возникновению ударных нагрузок и, естественно, сокращал жизнь валу и рокерам.

В 1983 году кулачки стали делать с новым профилем, разработанным по описанному выше методу (авторское свидетельство № 1237778), и проблема «жигулевского» вала стала отступать (рис. 2). Тогда, при первом опыте внедрения такого профиля, подъем кулачка и фазы газораспределения были оставлены без изменений — стремились только повысить долговечность. Но потом стало интересно, как вообще влияет профиль на показатели двигателя, и я стал проектировать новые валы, чтобы улучшить характеристики моторов.

— И что же сейчас можете предложить автолюбителям?

— Фирма «Мастер-Мотор» делает целую гамму распредвалов для двигателей УЗАМ любого рабочего объема — от 1,5 до 2 л. Что они дают, видно по графикам на рис. 3, а. Здесь в качестве базового взят двигатель УЗАМ-3317 (рабочий объем 1,7 л), но подобная картина будет и на других моторах. Для УЗАМ мы предлагаем в первую очередь варианты, улучшающие характеристики при низких оборотах. Надо учитывать, что уфимские моторы не слишком любят, когда их «раскручивают» — хотя бы потому, что у них недостаточно уравновешенный коленвал. Не стоит выводить двигатель на предельные режимы.

Читать еще:  Двигатель бмв м60в30 характеристики

Почти все валы требуют несколько измененных коромысел, поэтому при их замене приходится демонтировать головку блока цилиндров. Единственный вал, работающий с серийным коромыслом, хоть и проще установить, но получите вы меньший эффект — примерно 3/4 от того, что дают другие.

— А как насчет «жигулевских» моторов?

— Есть валы и для двигателей 21011, 2103, 2106. «Действие» одного из новых валов, например, в двигателе 2106 показано на рис. 3, б. Кстати, именно этот вал очень хорошо подходит к мотору 21213.

— Как же так, ведь на этом двигателе установлен изначально «ваш» распредвал.

—. спроектированный больше 10 лет назад! Теперь я могу предложить нечто лучшее. Нынешний увеличивает крутящий момент на небольших оборотах; с таким двигателем езда спокойнее и приятнее.

Есть и другие валы для моторов 21213 и 2130 (1,7 и 1,8 л), увеличивающие крутящий момент на всех режимах. Однако при установке таких деталей, чтобы обеспечить больший ход клапана, надо зенковать рабочие фаски седел клапанов, что требует специального оборудования и квалификации.

— Последний вопрос — традиционный: каковы перспективы?

— Занимаемся моторами 2108 — им большая тяговитость на малых оборотах была бы очень кстати. Наработки есть, но пока они не увидели свет. Пробуем силы на ЗМЗ-402.

Кроме того, работаем над микропроцессорным зажиганием — правда, пока только для моторов УЗАМ. Эта новая система со специально подобранной характеристикой очень хорошо дополняет наши валы. Правда, сбыт разработок вызывает некоторые опасения — АЗЛК стоит уже давно, надеяться приходится на «Ижмаш», ВАЗ, ГАЗ. Судя по первым откликам клиентов, усилия наши востребованы и работаем мы не зря.

Рис. 1. Профили кулачков распредвала VAZ 2101 с эпюрами кривизны: а — исходный ФИАТ; б — ФИАТ без цилиндрического участка на вершине; в — новый профиль, разработанный А. Рожковым.

Рис. 2. Рекламации по износу кулачков «жигулевского» распредвала (на 1000 автомобилей в гарантийный период). После внедрения нового профиля летом 1983 года претензии пошли на убыль.

Рис. 3. Внешние скоростные характеристики двигателей УЗАМ (слева) и VAZ 2106. Черные линии — серийный вариант, цветные — с различными распредвалами «Мастер-Мотор».

НАША СПРАВКА. По многочисленным просьбам читателей публикуем заводские характеристики серийных двигателей Уфимского моторного производственного объединения. Обратите внимание на их обозначения: двигатель 412 имеет рабочий объем не 1,5, а 1,6 л — это новая модель со старым индексом. Двухлитровому мотору присвоено обозначение 248.

Газораспределительный механизм. Основные неисправностиК списку статей Обсудить на форуме —>

Газораспределительный механизм (ГРМ) обеспечивает своевременный впуск в цилиндры свежего заряда горючей смеси и выпуск отработавших газов. Он включает в себя элементы привода, распределительную шестерню, распределительный вал, детали привода клапанов, клапана с пружинами и направляющие втулки.

Распределительный вал служит для открытия клапанов в определенной последовательности в соответствии с порядком работы двигателя. Распредвалы отливают из специального чугуна или отковывают из стали. Трущиеся поверхности распределительных валов для уменьшения износа подвергнуты закалке при помощи нагрева токами высокой частоты.

Распредвал может располагаться в картере двигателя либо в головке блока цилиндров. Существуют двигатели с двумя распредвалами в головке цилиндров (в многоклапанных ДВС). Один используется для управления впускными клапанами, второй – выпускными. Такая конструкция называется DOHC (Double Overhead Camshaft). Если распредвал один, то такой ГРМ именуется SOHC (Single OverHead Camshaft). Распредвал вращается на цилиндрических шлифованных опорных шейках.

Привод клапанов осуществляется расположенными на распределительном валу кулачками. Количество кулачков зависит от числа клапанов. В разных конструкциях двигателей может быть от двух до пяти клапанов на цилиндр (3 клапана – два впускных, один выпускной; 4 клапана – два впускных, два выпускных; 5 клапанов – три впускных, два выпускных). Форма кулачков определяет моменты открытия и закрытия клапанов, а также высоту их подъема.

Привод распределительного вала от коленчатого вала может осуществляться одним из трех способов: ременной передачей, цепной передачей, а при нижнем расположении распредвала – зубчатыми шестернями. Цепной привод отличается надежностью, но его устройство сложнее и цена выше. Ременной привод существенно проще, но ресурс зубчатого ремня ограничен, а в случае его разрыва могут наступить тяжелые последствия.

При обрыве ремня распредвал останавливается, а коленвал продолжает вращаться. Чем это грозит? В простых двухклапанных моторах, где, как правило, поршень конструктивно не достает до головки открытого клапана, ремонт ограничивается заменой ремня. В современных многоклапанных двигателях при обрыве ремня поршни ударяются о клапана, «зависшие» в открытом состоянии. В результате сгибаются стержни клапанов, а также могут разрушиться направляющие втулки клапанов. В редких случаях разрушается поршень.

Еще тяжелее при обрыве ремня приходится дизелям. Так как камера сгорания у них находится в поршнях, то в ВМТ у клапанов остается очень мало места. Поэтому при зависании открытого клапана разрушаются толкатели, распредвал и его подшипники, велика вероятность деформирования шатунов. А если обрыв ремня произойдет на высоких оборотах, возможно даже повреждение блока цилиндров.

Рабочий цикл четырехтактного двигателя происходит за два оборота коленвала. За это время должны последовательно открыться впускные и выпускные клапаны каждого цилиндра. Поэтому распредвал должен вращаться в два раза медленнее коленвала, а, следовательно, шестерня распредвала всегда в два раза больше шестерни коленвала. Клапаны в цилиндрах должны открываться и закрываться в зависимости от направления движения и положения поршней в цилиндре. При такте впуска, когда поршень движется от в.м.т. к н.м.т., впускной клапан должен быть открыт, а при тактах сжатия, рабочего хода и выпуска – закрыт. Чтобы обеспечить такую зависимость, для правильной установки на шестернях ГРМ делают метки.

Основными неисправностями газораспределительного механизма (ГРМ) являются:

  • нарушение тепловых зазоров клапанов (на двигателях с регулируемым зазором);
  • износ подшипников, кулачков распределительного вала;
  • неисправности гидрокомпенсаторов (на двигателях с автоматической регулировкой зазоров);
  • снижение упругости и поломка пружин клапанов;
  • зависание клапанов;
  • износ и удлинение цепи (ремня) привода распределительного вала;
  • износ зубчатого шкива привода распределительного вала;
  • износ маслоотражающих колпачков, стержней клапанов, направляющих втулок;
  • нагар на клапанах.

Можно выделить следующие причины неисправностей ГРМ (они, в основном, аналогичны причинам неисправностей кривошипно-шатунного механизма):

  • выработка установленного ресурса двигателя и, как следствие, высокий износ конструктивных элементов;
  • нарушение правил эксплуатации двигателя, в том числе использование некачественного (жидкого), загрязненного масла, применение бензина с высоким содержанием смол, длительная работа двигателя на предельных оборотах.

Самой серьезной неисправностью газораспределительного механизма является т.н. зависание клапанов, которое может привести к серьезным поломкам двигателя. Причин у неисправности две. Применение некачественного бензина, сопровождающееся отложением смол на стержнях клапана. Другой причиной является резонанс, ослабление или поломка пружин клапанов. В этом случае при достижении поршнем верхней мертвой точки клапан не успевает сесть в «седло». К счастью, данная неисправность на современных автомобилях встречается достаточно редко.

Отдельно необходимо сказать о неисправностях гидрокомпенсаторов. При использовании жидкого или сильно загрязненного масла гидрокомпенсатор перестает выполнять свою основную функцию, а именно автоматически компенсировать зазоры в ГРМ. Дальнейшая эксплуатация двигателя может привести к заклиниванию гидрокомпенсаторов.

Нарушение теплового зазора на двигателях с регулируемым зазором может произойти по причине износа подшипников и кулачков распределительного вала, износа зубчатого шкива привода распределительного вала, а также вследствие неправильной регулировки.

Неисправности ГРМ достаточно сложно диагностировать, т.к. сходные внешние признаки могут соответствовать нескольким неисправностям. Зачастую конкретная неисправность устанавливается непосредственным осмотром конструктивных элементов ГРМ со снятием крышки головки блока цилиндров.

Большинство неисправностей газораспределительного механизма приводит к нарушениям фаз газораспределения, при которых двигатель начинает работать нестабильно и не развивает номинальной мощности.

Внешние признаки и соответствующие им неисправности ГРМ

Секреты распределительного вала

Работа исправного и хорошо отрегулированного двигателя похожа на музыку. В ней все подчинено строгой гармонии тактов, да и сам мотор чем-то напоминает слаженный оркестр. Среди сотен деталей, из которых устроены системы и механизмы современного четырехтактного мотора, есть «детали-исполнители», но есть и «дирижеры». Одним из «дирижеров» является распределительный вал, управляющий самыми важными рабочими процессами — наполнением и очисткой цилиндров.

Конечно, роль распределительного вала можно сравнить с ролью дирижера в оркестре. Но, пожалуй, точнее, с инженерной точки зрения, было бы назвать его программным механизмом поршневого двигателя внутреннего сгорания.

Качество рабочих процессов в моторе обеспечивается строгой взаимосвязью его деталей, их размеров, последовательностью действия. Учитывается абсолютно все: и форма камеры сгорания, и диаметры клапанов, и длина впускного тракта, и момент воспламенения горючей смеси, словом, в двигателе нет ни одного параметра, не влияющего на соседа. Большую часть деталей однажды изготовляют на заводе по заданным конструктором чертежам, собирают в узлы и до самой разборки для ремонта они остаются недосягаемыми. И только распределительный вал среди всех механизмов требует регулярного внимания.

Здесь снова приходит на ум сравнение двигателя с музыкальным механизмом. Вспомните популярные в прошлом часы, шкатулки, шарманки, которые наигрывали самые разные мелодии. Принцип конструирования их приводных валиков сродни тому, что используется при расчетах распределительных валов. Набор звучащих на разных нотах стальных пластин, которые в определенной последовательности цепляются выступами-штырями валика, — вот и вся премудрость. Изготовил, настроил, и механизм сто лет «поет» и бабушкам и внукам.

Условия работы распределительного вала несравнимо хуже. Он обязан выдерживать «мелодию» работы двигателя при самых разных оборотах коленчатого вала, при плюс 1000°С в цилиндрах и минус 50°С на улице, часами, а порой и сутками, непрерывно, почти без отдыха. При этом вал должен не только заставлять двигаться связанные с ним клапаны, но и беречь их от перегрузок.

Читать еще:  Что такое шильдик двигателя

Рис. 1. Профиль кулачка: 1 — сектор отдыха; 2 — сектор ускорения; 3 — боковая поверхность; 4 — вершина; 5 — сектор максимального открытия клапана.

Важнейший элемент распределительного вала — кулачок. Кулачков столько, сколько клапанов в механизме газораспределения. Как правило, два на цилиндр. Число цилиндров у различных моторов, все знают, разное. От одного до шестнадцати. Все, что происходит в одном цилиндре, обеспечивается парой кулачков, управляющих впускным и выпускным клапанами. От положения на валу кулачковых пар зависит очередность работы отдельных цилиндров. Кроме того, конечно, учитываются их число и расположение (рядное, V-образное, оппозитное), и порядок работы каждого всегда строго увязан с точно определенным и равным для всех углом поворота коленчатого вала. Совершенно обязательно, чтобы рабочие процессы в каждом цилиндре были максимально приближены к единообразию. Но сначала о кулачке.

Толстая, или широкая, часть его предназначена для отдыха, тонкая — самая нагруженная. У него важны абсолютно все участки поверхности, которые с соответствующими названиями показаны на рис. 1. Причем важность и тонкость расчета профиля каждой части кулачка постоянно возрастают по мере роста максимального числа оборотов у двигателей. Приняв разделение профиля кулачка на секторы, нам легче будет представить себе их значение. Начнем с того момента, когда клапан закрыт и, прижавшись к седлу, остывает. Особенно важно это для выпускного клапана, омываемого только раскаленными газами. Кулачок в это время тоже свободен после трения о толкатель («волги», старые «москвичи»), коромысло («Москвич — 412») или рычаг («Жигули») привода клапана и повернут к нему сектором отдыха. Хотелось бы сделать этот период возможно более длительным. Но конструктивные особенности двигателей ограничивают его в пределах 140-160 градусов.

Поворачиваясь вместе с валом, кулачок должен выбрать тепловой зазор в работающей с ним паре трения и начать подъем клапана от седла, подготавливая его к полному открытию. Здесь в дело включается сектор ускорения. От профиля этого участка кулачка зависит скорость подъема клапана и характер нарастания нагрузок на кулачок от клапанной пружины. Как-никак, а даже в свободном состоянии пружина прижимает клапан к седлу с усилием до 15 кг. При полном открытии клапана сопротивление пружины добавляет еще килограммов 30. А если учесть, что соотношение плечей рычагов в клапанном приводе не в пользу кулачка, то выяснится, что нагрузка на него возрастает еще и в максимальном значении может приблизиться к 50 кг. Распределяется же она всего лишь на тоненькой линии по всей ширине кулачка, площадь которой, как правило, не более 0,2 мм2. Конечно, все эти цифры приблизительны, но их значения близки к реальным для большинства легковых двигателей, и благодаря им можно посчитать удельные нагрузки на рабочую площадь поверхности кулачка. Грубый подсчет даст величину 200 кг/мм2, что, образно говоря, равно весу опрокинутой пирамиды из 35 «жигулей», опирающейся на площадь монетки достоинством в 1 копейку. Выдержать такие громадные нагрузки могут только специальные стали или отбеленный чугун, из которых делаются распределительные валы современных моторов, да и то при условии упрочняющей термообработки их, хорошей смазки и точного соблюдения времени работы и отдыха кулачков, что определяется известными всем зазорами. От величины «зазоров в клапанах» зависит и как — с ударом или постепенно — начнет открываться клапан, и как — мягко или с отскоком — сядет он обратно в седло. Но об этом несколько позже.

Возвращаясь к сектору ускорения кулачка, можно сказать еще, что в нем заложены мощностные характеристики двигателя. Он регулирует время открытия клапана, а оно в большей мере, чем открытое клапаном отверстие для газов, влияет на наполнение цилиндра. Как и сектор отдыха, сектор ускорения хочется сделать возможно большим.

Рис. 2. Рабочие такты (а) четырехтактного двигателя, соответствующий им график (б) углов поворота коленвала и линии открытия выпускного и впускного клапанов; П — угол перекрытия фаз газораспределения; (в) — типичная схема фаз газораспределения.

Вершина кулачка определяет время, когда клапан открыт полностью. Естественно желание продлить его, а для этого необходимо удлинить поверхность, иными словами, сделать вершину тупой, разумеется, при той же высоте, так как она определяет высоту подъема клапана.

Из всего сказанного о профиле кулачка очевидно, что конструктор всегда стоит перед поиском компромисса, удовлетворяющего определенным режимам работы двигателя. Удлинили сектора отдыха и ускорения — уменьшилась длина вершины. В результате получим клапанный механизм, работающий в спокойном режиме, с большим ресурсом, но мощность двигателя будет невысокой. Сделали круче боковую поверхность и более тупую (длинную) вершину — механизм загрузился, время отдыха его уменьшилось, но зато выходная мощность мотора (производная от наполнения цилиндра) возросла.

Создав необходимый профиль кулачка, конструктор выбирает оптимальные условия совместной работы клапанов — фаза наполнения следует сразу же за очисткой цилиндра, и важно не мешкать ни с тем, ни с другим. Времени для этого всегда меньше, чем хотелось бы. Представим себе один из наиболее употребляемых режимов работы двигателя — 2400 об/мин. Распределительный вал повернется в два раза меньше, и каждый из четырех впускных или выпускных клапанов на любом из наших индивидуальных автомобилей откроется за это время 1200 раз. 20 раз в секунду распределительный вал должен будет открыть выпускной клапан, закрыть его, открыть впускной клапан, закрыть его и дать клапанам немного отдохнуть перед следующим циклом. Дефицит времени и характер газодинамических процессов, происходящих в цилиндре, позволяют совместить начало впуска свежей рабочей смеси с концом выпуска отработавших газов. При этом они даже несколько перекрываются, что в характеристике двигателя называется углом перекрытия фаз газораспределения (рис. 2). Для каждого мотора угол перекрытия свой и зависит от многих параметров — от объема цилиндра, проходного сечения отверстий под клапанами, изменения скорости потока вылетающих из цилиндра газов и соответствующего, изменения давления в нем и др. А поддерживается он в требуемых пределах все той же регулировкой «клапанных зазоров». От нее же зависят и условия, в которых приходится работать клапанам, находящимся в буквальном смысле в самом пекле.

Схемы механизмов газораспределения: с нижним (а) и верхним (б) расположением распределительного вала; стрелками показаны пары трения, определяющие величину суммарного зазора в приводе

Зона отдыха на кулачке обеспечивает клапану на остывание минимум третью часть времени от одного оборота. Кое-что перепадает ему от зон ускорения, там, где профиль кулачка начинает отходить от круга до величины суммарного зазора в приводе клапана. Все вместе может обеспечить клапану отдых около половины времени оборота вала. И чем выше частота вращения распределительного вала, тем существеннее для клапана эта разница между третью и половиной рабочего времени кулачка, которая отводится ему для отдыха.

Отсюда уже начинается чистая практика, волнующие каждого автомотолюбителя вопросы правильной регулировки зазоров в клапанном механизме. Ошибок здесь может быть только две, а последствий гораздо больше.

Зазор велик. Его мы определяем по характерному шуму под клапанной крышкой, напоминающему стрекотанье старой швейной машинки. Но шум лишь косвенный показатель того, что происходит в механизме привода клапанов. На самом деле разница между работой механизма с нормальными и увеличенными зазорами может быть сравнима с ездой по асфальтовому и булыжному шоссе со всеми вытекающими отсюда последствиями. Минуя участок плавного перехода сектора отдыха в сектор ускорения, кулачок с размаху бьет боковой поверхностью в привод, через который удар передается на стержень клапана. Здесь энергия его распределяется вдоль стержня и на стенки направляющей втулки. Открыв ненадолго клапан, кулачок по той же сокращенной программе резко бросает клапан, и пружина с большим усилием сажает его в седло. Процесс этот повторяется снова и снова, производя микроразрушения в структуре поверхностных слоев работающих в паре деталей и, в конечном итоге, намного раньше положенного срока выводит их из строя. Надо отметить, что двигатель в целом не остался безучастным к этому. Упала его мощность, и для той же работы, которую он проделывал, чтобы катить машину со скоростью 60 км/ч, ему уже потребовалось несколько больше топлива. Разумеется, и эти прямые и будущие ремонтные расходы адресованы владельцу машины.

Зазор мал. Это значит, что кулачок, едва посадив, правда, мягко, клапан в седло, тут же, не дав отдохнуть и остыть, снова поднимает его. При очень малых зазорах удлинившийся от нагревания клапан может и вовсе зависнуть над седлом. В результате температура тарелки клапана поползет вверх, кромки ее начнут перегреваться и обгорать, компрессия в цилиндре упадет, а вместе с ней и мощность. Порой дело доходит до «стрельбы» в карбюратор или в глушитель. При этих признаках ремонта уже не избежать. Не остается без пагубных последствий и сам кулачок. Он больше времени трется о привод клапана, меньше смазывается и, в конечном итоге, изнашивается раньше времени, приводя в полную негодность весь распределительный вал.

Надо отметить, что любое отклонение в величине зазоров влечет за собой изменение в углах перекрытия фаз газораспределения, что тоже всегда некстати.

Случается, что после самой тщательной регулировки зазоров стуки от «распущенных» клапанов сохраняются. Причина — в неравномерных износах трущихся пар. Здесь могут быть и сколы, и неровные впадины на рычагах и кулачках. Чаще всего неудачи при регулировке встречаются у двигателей с нижним расположением распределительного вала и верхними клапанами («волги», «москвичи» среднего поколения, «запорожцы»). Большое количество пар трения в этих приводах (рис. 3, а) требует повышенного внимания и дополнительных забот при ремонте и уходе за мотором. У более современных «москвичей» и «Жигулей» (рис. 3, б) их всего три, и обслуживать их гораздо проще.

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector