Виды ГРМ, их назначение, область применения, достоинства и недостатки»

Чурсин Сергей Сергеевич

Научный руководитель, преподаватель спецдисциплин

БПОУ ОО «Орловский технологический техникум», г. Орел

Пронин Андрей Сергеевич

студент 3 курса 312 группы БПОУ ОО "Орловский технологический техникум"

              Виды ГРМ, их назначение, область применения, достоинства и недостатки»

В данной работе предполагается теоретическое исследование различных конструкций ГРМ, их достоинства и недостатки с выявлением более надежной, практичной  и экономичной.  

Газораспределительный механизм (ГРМ) является одним из самых сложных механизмов в конструкции двигателя. Управление впускными и выпускными клапанами ДВС полностью лежит на ГРМ. При помощи такого механизма осуществляется и контролируется процесс наполнения цилиндров топливно-воздушной смесью посредством своевременного открытия впускного клапана на такте впуска. Также ГРМ служит для выпуска отработанных газов из внутренней камеры сгорания – для этого открывается выпускной клапан на такте выпуска.[2]

В зависимости от того какое устройство, под средством которого осуществляется впуск заряда и выпуск отработавших газов, различают два типа механизмов газораспределения: 

1) Клапанный;

2) Золотниковый.

Наиболее распространённым является клапанный механизм. Возможно верхнее и нижнее расположение клапанов. Верхнее расположение в настоящее время применяется чаще, так как в этом случае процесс газообмена протекает эффективнее. Характерные конструкции газораспределительных механизмов ГРМ представлены на рисунке 1.

Рисунок 1 – Принципиальные компоновочные схемы ГРМ: 1-нижнее расположение распределительного вала, выпускной клапан с механическим приводом в блоке цилиндров, автоматический впускной клапан, расположенный в головке блока цилиндров; 2 -  нижнее расположение распределительного вала с нижним расположением клапанов. Клапаны расположены с обеих сторон цилиндра; 3 - нижнее расположение распределительного вала с нижним расположением клапанов вдоль одной стороны блока цилиндров; 4 - нижнее расположение распределительного вала. С верхним расположение впускного клапана и нижним расположением выпускного клапана; 5 - нижнее расположение распределительного вала с верхним расположением клапанов; 6 - Верхнее расположение одного распределительного вала с верхним рядным расположением клапанов и толкателями; 7 - Верхнее расположение одного распределительного вала с верхним рядным расположением клапанов; 8 - Верхнее расположение одного распределительного вала с верхним двухрядным расположением клапанов; 9 - Верхнее расположение двух распределительных валов

Для того чтобы рассмотреть конструктивные особенности наиболее распространённых на сегодняшний день компоновок ГРМ, необходимо вернуться в прошлое и изучить вопрос о появлении и развитии газораспределительного механизма.

Своё появление конструкции ГРМ следует принимать  конец 19 и начале 20 века.  Двигатели которые имели конструкцию ГРМ  были очень тихоходными, максимальные обороты этих двигателей лежали в диапазоне 300 – 600 об/мин.

Самый первые четырёхтактный двигатель внутреннего сгорания, работающий по циклу Отто, имел  выпускной клапан с механическим приводом, расположенный в нижней части цилиндра и верхний впускной автоматический клапан(рисунок 1, схема 1). Впускной автоматический клапан  механического привода не имел и открывался только под воздействием разности давлений с обеих сторон клапана. Такую конструкцию имел и первый двигатель Отто и первые практические автомобильные двигатели немецких инженеров К. Бенца и Г. Даймлера. Выпускной клапан двигателя имел механический привод. Распределительный вал, толкатель клапана и сам выпускной клапан были расположены в нижней части цилиндра. [3]

Поскольку впускной клапан двигателя не управлялся, точно установить момент открытия клапана было невозможно, и, соответственно, невозможно было увеличить максимальные обороты двигателя, подобные двигатели прекратили выпускать уже к 1905 году.

Некоторое время спустя впускной клапан всё же получил  механический привод(рисунок 1, схема 2), что сразу позволило поднять обороты двигателя и увеличить его мощность. Первоначально клапаны располагались с обеих сторон цилиндра, но такая схема требовала применения двух распределительных валов и имела некоторые другие недостатки. Подобная схема газораспределительного механизма, называвшаяся Т-образная, применялась на выпускавшемся в России автомобиле Руссо-Балт С24-30 выпуска 1911 года. Но такая схема, по причине свойственных ей врождённых недостатков, долго не применялась.

В начале 20 века автомобиль быстро становился массовым предметом потребления, производители стремились удовлетворить спрос на автомобили. Конструкция, как и технологии производства автомобильных двигателей стремительно развивались. В этот период научились изготавливать довольно сложные блоки цилиндров и клапаны, как впускные, так и выпускные переместились на одну сторону блока цилиндров (рисунок 1, схема  3). Такая компоновка получила широкое распространение в 20-х годах прошлого века. Подобная схема для своего времени оказалась очень удачной и началась эра нижнеклапанных двигателей. Клапаны были очень близко расположены к распределительному валу, что уменьшало инерционные нагрузки, весь механизм имел достаточно простую, жёсткую и технологичную конструкцию.[3]

Такая схема позволила поднять рабочие обороты двигателя до 2500 – 3000 об/мин, а некоторые форсированные двигатели развивали максимальные обороты до 5000 об/мин.

Автомобильные двигатели с такой компоновкой газораспределительного механизма некоторыми производителями выпускались до начала 80-х годов. А для привода различных строительных, сельскохозяйственных и других механизмов они применяются и по настоящее время. Да и старые автомобили с подобными двигателями (ГАЗ-52) можно ещё встретить на наших дорогах.

Рисунок  2 – Нижнее расположение распределительного вала с нижним расположением клапанов вдоль одной стороны блока цилиндров: 1- болт регулировки теплового зазора; 2 - контргайка регулировочного болта; 3 - толкатель клапана; 4 - тепловой зазор; 5 - пружина клапана; 6 - специальное приспособление для снятия (рассухаривания) клапанов

При всех преимуществах такой схемы она имела неустранимые недостатки. Одним из главных недостатков является  очень большая камера сгорания, Большая камера имела большую, по отношению к объёму камеры сгорания, площадь внутренних поверхностей, что приводило к большим потерям тепла и ухудшению процесса сгорания. Также к такому результату приводила неудачная форма камеры сгорания. Поэтому большая камера сгорания не позволяла поднять степень сжатия двигателя, обеспечивающую эффективную работу двигателя. Ещё одним недостатком был очень сложный путь движения воздуха от воздушного фильтра до камеры сгорания. На своём пути воздушный поток изменял направление несколько раз, что приводило к снижению скорости движения потока и, следовательно, к снижению коэффициента наполняемости.

Для устранения этих недостатков необходимо было перенести клапаны в головку блока цилиндров. Этой цели пытались добиться  разными путями. Например, создание таких экзотических схем, в которых впускной клапан имел верхнее расположение, а выпускной клапан имел нижнее расположение (рисунок 1, схема 4). При этом распределительный вал оставался в блоке цилиндров. Подобную конструкцию использовала на своих автомобилях английская фирма Ровер в 50-х годах.[4]

Для исправления недостатков предыдущих схем, конструкторы перенесли клапаны в головку блока цилиндров (рисунок 1, схема 5). Такая конструкция упростила конструкцию блока цилиндров, но усложнило головки блока цилиндров. Перенос клапанов в головку блока цилиндров позволило значительно улучшить наполняемость цилиндров. За счёт этого двигатели  с такой компоновкой ГРМ стали мощнее на 25% по сравнению с нижнеклапанными двигателями с таким же объёмом цилиндров. Перенос клапанов в ГБЦ позволило применять камеры сгорания различной формы и, соответственно, делать двигатели с желаемой степенью сжатия. Форсированные двигатели с нижним расположение распределительного вала и верхним расположением клапанов развивали максимальные обороты до 6500 – 7000 об/мин.[3]

Подобные двигатели с 60-х годов устанавливались на многие отечественные автомобили, например, на Москвич 407 и Москвич 408, на автомобиль Волга ГАЗ-21 и его модификации. Двигатели с такой конструкцией газораспределительного механизма устанавливались на автомобили Волга и УАЗ до конца 90-х годов. Подобные двигатели широко эксплуатируются и в настоящее время.

Конструкция ГРМ такой компоновки состоит из распределительного вала — или нескольких валов — и механизмов привода к ним, клапанов, открывающих и закрывающих впускные и выпускные отверстия в камерах сгорания, и передаточных звеньев — толкателей, штанг, коромысел и некоторых вспомогательных деталей (регулировочных элементов, клапанных пружин, системы поворота клапанов и проч.).

Но и у такой схемы имеются значительные недостатки. Одним из таких является, тот факт,  что клапаны далеко расположены от распределительного вала. Усилие от толкателей передаётся на коромысла (рычаги) клапанов при помощи длинных толкающих штанг. Детали привода клапанов, совершающие возвратно-поступательное движение (особенно штанги), имеют большую массу, что увеличивает инерционные нагрузки и, соответственно, ограничивает дальнейшее увеличение оборотов. Попытки уменьшить массу толкающих штанг приводили к тому, что штанги приобретали недопустимую упругую деформацию, что приводило к изменению параметров работы газораспределительного механизма. Поэтому  были предприняты попытки по отказу от применения штанг.

Первоначально штанги делали просто короче, за счёт отказа от шестерёнчатого привода распределительного вала в пользу привода цепью. Это позволило поднять расположенный в блоке цилиндров распределительный вал(рисунок 1, схемы 6,7,8)[3]

Поэтому такие попытки дали толчок для создания самой распространенной на сегодняшний день схемы с верхним расположением клапанов и расположением распределительного вала в головке блока цилиндров SOHC). Он один управляет работой как впускных, так и выпускных клапанов. Поскольку чем ближе распределительный вал к клапанам, тем меньше в газораспределительном механизме количество и масса деталей, совершающих возвратно-поступательное движение. Уменьшение инерционных нагрузок обеспечивает лучшую работу газораспределительного механизма и, что позволяет увеличить обороты двигателя.

Рисунок  3 – Схема ГРМ с распределительным валом расположенного в головке блока цилиндров: 1 – клапан; 2 - направляющая втулка клапана; 3 - Наружная пружина клапана; 4 - внутренняя пружина клапана; 5 - тарелка пружины клапана; 6 - Корпус распределительного вала; 7 - распределительный вал; 8 - пружина рычага; 9 - рычаг привода клапана (рокер);  10 - шаровая опора рычага с регулировкой теплового зазора; 11 - Контргайка регулятора теплового зазора

При такой схеме клапаны могут иметь как рядное, так и наклонное двухрядное расположение. Клапаны могут приводится, как непосредственно кулачком распределительного вала, расположенного над клапанами, так и посредством рычагов (рокеров).

Но современные двигатели чаще имеют газораспределительный механизм с двумя распределительными валами, расположенными в головке блока цилиндров (DOHC), при этом один распределительный вал управляет впускными, а второй выпускными клапанами (рисунок 1, схема 9). Хотя первые подобные конструкции появились в самом начале 20 века. Такая схема имела высокую себестоимость и по этой причине в автомобильных двигателях серийных автомобилей широкого распространения не получила. Но эта схема имела широкое распространение в поршневой авиации и в дорогих спортивных автомобилях[3]

Рисунок 4 – ГРМ с двумя распределительными валами: 1-Выпускной распределительный вал; 2 - Крышка подшипника распределительного вала; 3 - Стаканчатый толкатель с гидравлическим компенсатором теплового зазора; 4 - Канавка подвода масла на толкателе; 5 - Масляная магистраль, подвода масла к гидравлическим компенсаторам; 6 - Пружина клапана; 7 - Выпускной клапан; 8 - Седло выпускного клапана

За последние 20 лет резко возросли требования по токсичности и топливной экономичности к двигателям серийных автомобилей, при одновременном улучшении машиностроительных технологий. Для выполнения возросших требований к двигателю автомобиля эту схему стали широко применять практически на всех серийных автомобиля.

Такая схема имеет следующие преимущества: применение этой схемы позволило выпускать многоклапанные головки.

В современных двигателях многоклапанные схемы позволяют снизить потребление топлива при одновременном выполнении строгих норм по токсичности.

Ещё одно преимущество даёт тот факт, что раздельные впускные и выпускные распределительные валы позволили создать современные системы с раздельной регулировкой (изменением) фаз газораспределения выпускных и выпускных клапанов.

Почти все современные двигатели имеют по 4 клапана на цилиндр, два впускных и два выпускных. Схемы с применением более чем четырёх клапанов на один цилиндр широкого распространения не получили.

Но технология  конструирования ДВС не стоит на месте. Если  в 80 годах, топовой и самой продвинутой технологией стала система управления клапанами типа VTEC, 90-е года отличились разработкой и применением продвинутой системой впрыска топлива, чуть позже кульминацией развития прямого впрыска стали поздние 2000-е. Будущее за перспективной  технологией FreeValve, "без системы распределительных валов" приводящего клапаны в движение в ДВС.[1]

Рисунок 5 - Технология FreeValve, "без системы распределительных валов"

Новая технология предлагает гибкость в процессе работы мотора. Было создано много прототипов моторов с подобной конструкцией, оно ни одна не сравниться с технологией будущего поколения. Гениальность продвигаемой системы заключается в том, что она не подразумевает серьёзных изменений в конструкции самого двигателя. Главный секрет заключается в том, что двигателю не нужны распределительные  валы, поскольку клапаны рассчитаны на индивидуальную работу, каждый по отдельности. Каждый клапан не связан жёстко с соседними клапанами, отсюда проистекает название- «свободные клапаны»  FreeValve. Для привода клапанов служат быстрые электромагнитные актуаторы по команде компьютера. В них используются пневматические пружины, способные менять собственную жесткость, и особые датчики контроля положения клапана. Последние контролируют положение клапанов сто тысяч раз в секунду с точностью до одной десятой миллиметра, а для их работы требуется примерно в сто раз меньше энергии, чем для аналогов других фирм.  Главная сущность заключается в том, чтобы работа ДВС стала более эффективной во всех фазах работы. 

С новой технологией инженеры получили возможность сделать двигатель эффективным при любых оборотах и на всех режимах работы, не опасаясь провалов на холостом ходу, посредственной динамики или высокого расхода топлива.

По мнению разработчиков,  такая система использует на 10% меньше энергии, чем традиционные решения привода.  Одним на сегодняшний день недостатком является дороговизна такой системы. Пока такая технология имеет ряд недостатков, и над ней ещё нужно много работать, кроме того такая система очень дорогая.

На одном ДВС может быть установлено от одного до четырёх распределительных валов, а вал может быть установлен и в блоке цилиндров двигателя и в головке блока цилиндров. ВV-образном двигателе может быть установлено четыре распределительных вала по два в двух разных головках блока цилиндров, а может быть установлен и один распределительный вал в развале блока цилиндров. Двигатель может иметь различные формы камеры сгорания и соответственно различное расположение клапанов. Поэтому количество практических конструкций схем газораспределительного механизма безгранично, которые имею свои преимущества и недостатки.

Двигатель  с конструкцией «без распределительных валов» не способен пройти столько же, сколько ходят без серьезных проблем моторы с обычной системой распределительных валов. Но даже на этом этапе разработки, система показала себя с лучшей стороны. Ни один мотор со стандартной системой газораспределения не способен хоть как-то нормально работать, если перестанут работать 75% клапанов (представим это гипотетически). Также такие схемы имеют высокую цену, которые влияют на их высокую распространённость и применяемость.

Список используемых источников:

1. Двигатели без распредвалов, новая технология, которая изменит автоиндустрию // http://www.1gai.ru URL: http://www.1gai.ru/publ/517681-dvigateli-bez-raspredvalov-novaya-tehnologiya-kotoraya-izmenit-avtoindustriyu.html@ 1gai.ru [дата обращения: 30.11.2017].

2. Назначение, устройство, работа ГРМ. Двигатель внутреннего сгорания: газораспределительный механизм // http://fb.ru URL: http://fb.ru/article/263187/naznachenie-ustroystvo-rabota-grm-dvigatel-vnutrennego-sgoraniya-gazoraspredelitelnyiy-mehanizm [дата обращения: 30.11.2017].
3. Основные компоновочные схемы газораспределительного механизма // https://autology.jimdo.com URL: https://autology.jimdo.com/устройство-автомобиля/двигатель-внутреннего-сгорания/основные-компоновочные-схемы-грм/ [дата обращения: 30.11.2017].