1.2.1. Клапаны и механизмы регуляровки.

Рис.11

Клапаны(Рис.11) непосредственно осуществляют подачу в цилиндры воздуха (топливно-воздушной смеси) и выпуск отработавших газов. Клапан состоит из тарелки и стержня. На современных двигателях клапаны располагаются в головке блока цилиндров, а место соприкосновения клапана с ней называется седлом. Различают впускные и выпускные клапаны. Для лучшего наполнения цилиндров диаметр тарелки впускного клапана, как правило, больше, чем выпускного. Клапан удерживается в закрытом состоянии с помощью пружины, а открывается при нажатии на стержень. Большинство современных ДВС имеют по два впускных и два выпускных клапана на каждый цилиндр. Помимо данной схемы ГРМ используется: двухклапанная схема (один впускной, один выпускной), трехклапанная схема (два впускных, один выпускной), пятиклапанная схема (три впускных, два выпускных). Использование большего числа клапанов ограничивается размером камеры сгорания и сложностью привода.Открытие клапана осуществляется с помощью привода, обеспечивающего передачу усилия от распределительного вала на клапан. В настоящее время применяются две основные схемы привода клапанов: гидравлические толкатели и роликовые рычаги.

Рис.12

Роликовые рычаги(Рис.12) в качестве привода клапанов более предпочтительны, т.к. имеют меньшие потери на трение и меньшую массу. Роликовый рычаг (другие наименования – коромысло, рокер») одной стороной опирается на стержень клапана, другой – на гидрокомпенсатор (в некоторых конструкциях на шаровую опору).

Сальники клапанов.

Маслосъемные колпачки - одна из самых уязвимых деталей газораспределительного механизма, и один из самых труднодоступных "расходников"

Маслосъёмные колпачки обеспечивают уплотнение в месте прилегания клапанов газораспределительного механизма к направляющим втулкам и препятствуют проникновению масла в камеру сгорания.Несмотря на огромный прогресс, достигнутый в разработке автомобильных двигателей за последние сто лет, в их конструкции остаются детали, подверженные интенсивному износу и частой замене. Обычно такие детали называют расходниками. Колпачки (или сальники штоков клапанов) можно было бы отнести к этой категории, если бы не одно "но" - они установлены в крайне труднодоступном месте.

Клапан – важная часть механизма газораспределения. Верхняя часть любого клапана расположена в области, где из-за постоянного вращения распределительного вала стоит масляный туман. Нижняя, плоская часть, находится там, где постоянно стоит взвесь из мельчайших капелек бензина, если клапан впускной, либо в среде раскаленных выхлопных газов, если клапан выпускной.Смазка жизненно необходима для нормальной работы распределительного вала, но попадание моторного масла внутрь камеры сгорания крайне нежелательно. Поэтому при движении клапана вверх и вниз масло со штока снимает своего рода защитная юбка, которую называют маслосъемным колпачком.

При попадании масла в камеру сгорания по штоку клапана масло смешивается с топливо-воздушной смесью. Когда смесь вспыхивает, масло, сгорая, образует нагар на верхней части «тарелки» и на седло клапана. Это приводит к тому, что клапан теряет способность закрываться. Такой же нагар остается на стенках цилиндра, на верхней плоскости поршня и на поршневых кольцах. Все это приводит к так называемой закоксованности, повышающей износ двигателя и качество его работы. Кроме того, попавшее в камеру сгорания масло ухудшает характеристики горения бензино-воздушной смеси. Поэтому к состоянию маслосъемных колпачков предъявляются очень высокие требования.

Современная версия сальника – это резиновый колпачок с армированной стальной втулкой и эспандерной пружиной, которая прижимает уплотнительную кромку колпачка к штоку клапана.

Высокая эффективность маслосъемного колпачка определяется не только конструкцией, но и материалом из которого он сделан. Если в производстве используется акрилатный каучук или вторкаучук, то колпачок будет обладать высокой степенью уплотнения. На устаревших двигателях устанавливались второпластовые, неармированные колпачки, и хороший «обжим» достигался за счет широкой кромки.

Износ маслосъемных колпачков практически не зависит от уровня технологий производителя. У Chery и BMW срок службы сальников может быть одинаковым.

Знать, какие именно колпачки установлены в двигателе, крайне важно. Прежде всего, потому, что их замена – дорогостоящая операция, связанная с необходимостью разбирать двигатель. Поэтому при замене маслосъемных колпачков необходимо строго соблюдать правило: устанавливать только оригинальные колпачки, предназначенные для конкретного двигателя.

Коленвал двигателя при езде вращается со скоростью от 500 (на холостых), до 17000 об/мин. За минуту каждый клапан совершает от примерно 150 до 1200 рабочих тактов. Понятно, что на маслосъемный колпачок приходится очень большой объем работы. При этом он еще и подвергается химически агрессивному воздействию масла и выхлопных газов. В результате, каучук, из которого сделана мягкая часть колпачка, твердеет, и рабочие кромки колпачка изнашиваются и истираются. Рано или поздно их придется менять, какими бы качественными они ни были. Впрочем, не стоит думать, что их, подобно свечам, нужно менять каждый год. Культура производства ведущих автомобильных концернов так высока, что в среднем, срок службы колпачков составляет около 100,000 километров. Тем не менее, процент двигателей, на которых колпачки приходится менять чаще, очень велик.       

 Признаки износа маслосъемных колпачков:

Опытные водители знают: возникновение отложений на свечах, необходимость доливать масло в двигатель между заменами, появление дыма из выхлопной трубы при сильном нажатии на газ - все это признаки износа маслосъемных колпачков.

Сохранению хорошего состояния маслосъемных колпачков способствует применение качественного моторного масла.

Конечно же, замену маслосъемных колпачков лучше производить до того, как появятся явные признаки износа. Несвоевременная замена колпачков приводит к накапливанию нагара в цилиндрах и к падению компрессии. Повышается расход топлива, возникает неровный холостой ход, снижается мощность.

Гидрокомпенсаторы.

Двигатель во время работы нагревается, что приводит к естественному расширению металлических деталей. Конструкторы учитывают данную особенность и поэтому оставляют специальные тепловые зазоры. Однако, еще одной особенностью двигателя является постепенный износ деталей, соответственно зазоры расширяются и мы наблюдаем такие негативные моменты, как уменьшение мощности, снижение компрессии, повышенный расход масла и топлива, постепенное разрушение деталей двигателя. Важным элементом любого бензинового двигателя внутреннего сгорания является газораспределительный механизм. Его основные элементы: распределительный вал с проточенными на нем кулачками; впускные и выпускные клапаны; толкатели клапанов; шкив распредвала (приводит вал во вращение благодаря ремню ГРМ). Мы перечислили только основные элементы, в действительности же их больше. Сама суть работы ГРМ сводится к тому, чтобы распредвал вращался синхронно с коленчатым валом, кулачки попеременно давили на толкатели (или коромысла), а те в свою очередь приводили в движение клапаны.

Со временем между рабочими поверхностями распредвала, толкателями (или коромыслами в V-образных двигателях) образуются зазоры. Чтобы их компенсировать, раньше применяли простой режим регулировки с помощью специальных меток и гаечных ключей. Регулировать зазоры приходилось буквально каждые 10-15 тысяч км. На сегодняшний день такая проблема практически отпала благодаря изобретению и широкому применению гидрокомпенсаторов.

Устройство и принцип действия гидрокомпенсатора.

Есть несколько базовых видов гидрокомпенсаторов, предназначенных для работы с разными типами ГРМ (с толкателями, коромыслами или нижней установкой распредвала). Но само устройство и принцип действия в основном одинаковые.

Основные элементы гидрокомпенсатора: плунжерная пара (шарик, пружина, втулка плунжера); канал для поступления масла внутрь компенсатора; корпус. Компенсатор устанавливается в головку блока цилиндров в специально отведенное место. Есть также возможность установить их и на более старые типы двигателей, в которых их установка не предусматривалась.

Принцип работы достаточно простой. Кулачок распредвала имеет неправильную форму. Когда он не давит на толкатель, зазор между ними увеличивается. В этот момент плунжерная пружина давит на клапан плунжера и внутрь компенсатора поступает масло из системы смазки, рабочая часть компенсатора немного приподнимается, приводит в движение толкатель и зазор между кулачком и толкателем исчезает. Когда же распредвал делает оборот и кулачок начинает производить нагрузку на толкатель, рабочая часть гидрокомпенсатора начинает опускаться до тех пор, пока не перекроется канал поступления масла. Соответственно давление внутри компенсатора увеличивается и передается на шток клапана двигателя. Таким образом благодаря компенсаторам обеспечивается отсутствие зазоров. Если еще представить, что все это происходит на огромной скорости — до 6 тысяч оборотов в минуту — то невольно возникает восхищение, что такое простое изобретение смогло раз и навсегда положить конец проблеме зазоров в клапанном механизме.

Именно благодаря внедрению гидрокомпенсаторов удалось достичь таких преимуществ новых двигателей перед старыми: отпала необходимость постоянно регулировать зазоры клапанов; работа двигателя стала более мягкой и тихой; уменьшилось количество ударных нагрузок на клапаны и распредвал. Небольшим недостатком от применения гидрокомпенсаторов является характерный стук, который можно услышать впервые секунды запуска неразогретого двигателя. Это происходит из-за того, что давление масла в системе недостаточное, а нужные показатели давления достигаются тогда, когда масло разогревается до определенной температуры и расширяется, заполняя внутренние полости компенсаторов.

Стоит отметить, что плунжерная пара компенсатора — это весьма точное устройство. Зазор между втулкой и плунжером составляет несколько микрон. К тому же и масловыводящий канал тоже очень небольшого диаметра. Поэтому данные механизмы очень чувствительны к качеству масла. Они начинают стучать и выходить из строя, если заливать в двигатель некачественное масло, или если в нем много шлака, грязи, песка и так далее. Если в системе смазки двигателя есть недочеты, то масло не сможет поступать в компенсаторы, а от этого они будут перегреваться и быстрее выходить из строя. Специалисты обращают ваше внимание на то, что если в двигателе установлены гидрокомпенсаторы, то заливать в него масла высокой вязкости, например минеральное 15W40, не рекомендуется. При установке или замене компенсаторов позаботьтесь, чтобы они были заполнены маслом. Обычно они поставляются уже заполненными. Если же внутри будет воздух, то могут возникнуть воздушные пробки и механизм не сможет выполнять поставленные задачи. Если автомобиль долго стоял без работы, может происходить утечка масла из компенсаторов. В таком случае нужно их прокачать: дать поработать двигателю на постоянных оборотах, затем на переменных, а после этого на холостых — масло поступит в компенсаторы.

Засорение клапана в некоторых случаях может быть устранено промывкой двигателя, 5-ти минуткой,специальным промывочным маслом,специальной присадкой . Все остальные неисправности, как правило, требуют замены гидрокомпенсаторов.

Для снижения потерь на трение место сопряжения рычага и кулачка распределительного вала выполнено в виде ролика.

С помощью гидрокомпенсаторов в приводе клапанов реализуется нулевой тепловой зазор во всех положениях, обеспечивается меньший шум и мягкость работы. Конструктивно гидрокомпенсатор состоит из цилиндра, поршня с пружиной, обратного клапана и каналов для подвода масла. Гидравлический компенсатор, расположенный непосредственно на толкателе клапана, носит название гидравлического толкателя (гидротолкателя).

Рис.13

Распределительный вал(Рис.13) обеспечивает функционирование газораспределительного механизма в соответствии с принятым для данного двигателя порядком работы цилиндров и фазами газораспределения. Он представляет собой вал с расположенными кулачками. Форма кулачков определяет фазы газораспределения, а именно моменты открытия-закрытия клапанов и продолжительность их работы. Существенное повышение эффективности ГРМ, а следовательно и улучшение характеристик двигателя дают различные системы изменения фаз газораспределения.

1.2.2.СИСТЕМА ИЗМЕНЕНИЯ ФАЗ ГАЗОРАСПРЕДЕЛЕНИЯ. Cистема изменения фаз газораспределения(общепринятое международное название Variable Valve Timing, VVT) предназначена для регулирования параметров работы газораспределительного механизма в зависимости от режимов работы двигателя. Применение данной системы обеспечивает повышение мощности и крутящего момента двигателя, топливную экономичность и снижение вредных выбросов.

К регулируемым параметрам работы газораспределительного механизма относятся:

• момент открытия (закрытия) клапанов;

• продолжительность открытия клапанов;

• высота подъема клапанов.

В совокупности эти параметры составляют фазы газораспределения – продолжительность тактов впуска и выпуска, выраженную углом поворота коленчатого вала относительно «мертвых» точек. Фаза газораспределения определяется формой кулачка распределительного вала, воздействующего на клапан.

На разных режимах работы двигателя требуется разная величина фаз газораспределения. Так, при низких оборотах двигателя фазы газораспределения должны иметь минимальную продолжительность («узкие» фазы). На высоких оборотах, наоборот, фазы газораспределения должны быть максимально широкими и при этом обеспечивать перекрытие тактов впуска и выпуска (естественную рециркуляцию отработавших газов).

Кулачок распределительного вала имеет определенную форму и не может одновременно обеспечить узкие и широкие фазы газораспределения. На практике форма кулачка представляет собой компромисс между высоким крутящим моментом на низких оборотах и высокой мощностью на высоких оборотах коленчатого вала. Это противоречие, как раз и разрешает система изменения фаз газораспределения. В зависимости от регулируемых параметров работы газораспределительного механизма различают следующие способы изменяемых фаз газораспределения:

• поворот распределительного вала;

• применение кулачков с разным профилем;

• изменение высоты подъема клапанов.

Наиболее распространенными являются системы изменения фаз газораспределения, использующие поворот распределительного вала:

• VANOS (Double VANOS) от BMW;

• VVT-i (Dual VVT-i), Variable Valve Timing with intelligence от Toyota;

• VVT, Variable Valve Timing от Volkswagen;

• VTC, Variable Timing Control от Honda;

• CVVT, Continuous Variable Valve Timing от Hyundai, Kia, Volvo, General Motors;

• VCP, Variable Cam Phases от Renault.

Принцип работы данных систем основан на повороте распределительного вала по ходу вращения, чем достигается раннее открытие клапанов по сравнению с исходным положением.

Конструкция системы изменения фаз газораспределения данного типа включает гидроуправляемую муфту и систему управления этой муфтой.

Гидроуправляемая муфта(обиходное название фазовращатель) непосредственно осуществляет поворот распределительного вала. Муфта состоит из ротора, соединенного с распределительным валом, и корпуса, в роли которого выступает шкив привода распределительного вала. Между ротором и корпусом имеются полости, к которым по каналам подводится моторное масло. Заполнение той или иной полости маслом обеспечивает поворот ротора относительно корпуса и соответственно поворот распределительного вала на определенный угол.

В большинстве своем гидроуправляемая муфта устанавливается на распределительный вал впускных клапанов. Для расширения параметров регулирования в отдельных конструкциях муфты устанавливаются на впускной и выпускной распределительные валы.

Система управления обеспечивает автоматическое регулирование работы гидроуправляемой муфты. Конструктивно она включает входные датчики, электронный блок управления и исполнительные устройства. В работе системы управления используются датчики Холла, оценивающие положения распределительных валов, а также другие датчики системы управления двигателем: частоты вращения коленчатого вала, температуры охлаждающей жидкости, расходомер воздуха. Блок управления двигателем принимает сигналы от датчиков и формирует управляющие воздействия на исполнительное устройство – электрогидравлический распределитель. Распределитель представляет собой электромагнитный клапан и обеспечивает подвод масла к гидроуправляемой муфте и отвод от нее в зависимости от режимов работы двигателя.

Система изменения фаз газораспределения предусматривает работу, как правило, в следующих режимах:

• холостой ход (минимальные обороты коленчатого вала);

• максимальная мощность;

• максимальный крутящий момент.

Другая разновидность системы изменения фаз газораспределения построена на применении кулачков различной формы, чем достигается ступенчатое изменение продолжительности открытия и высоты подъема клапанов. Известными такими системами являются:

• VTEC, Variable Valve Timing and Lift Electronic Control от Honda;

• VVTL-i, Variable Valve Timing and Lift with intelligence от Toyota;

• MIVEC, Mitsubishi Innovative Valve timing Electronic Control от Mitsubishi;

К примеру, одна из самых известных система VTEC включает набор кулачков различного профиля и систему управления.

Распределительный вал имеет два малых и один большой кулачок. Малые кулачки через соответствующие коромысла (рокеры) соединены с парой впускных клапанов. Большой кулачок перемещает свободное коромысло.

Система управления обеспечивает переключение с одного режима работы на другой путем срабатывания блокирующего механизма. Блокирующий механизм имеет гидравлический привод. При низких оборотах двигателя (малой нагрузке) работа впускных клапанов производится от малых кулачков, при этом фазы газораспределения характеризуются малой продолжительностью. При достижении оборотов двигателя определенного значение система управления приводит в действие блокирующий механизм. Коромысла малых и большого кулачков соединяются с помощью стопорного штифта в одно целое, при этом усилие на впускные клапаны передается от большого кулачка.

Другая модификация системы VTEC имеет три режима регулирования, определяемые работой одного малого кулачка (открытие одного впускного клапана, малые обороты двигателя), двух малых кулачков (открытие двух впускных клапанов, средние обороты), а также большого кулачка (высокие обороты).Современной системой изменения фаз газораспределения от Honda является система I-VTEC, объединяющая системы VTEC и VTC. Данная комбинация существенным образом расширяет параметры регулирования двигателя.

Наиболее совершенная с конструктивной точки зрения разновидность системы изменения фаз газораспределения основана на регулировании высоты подъема клапанов. Данная система позволяет отказаться от дроссельной заслонки на большинстве режимов работы двигателя. Пионером в этой области является компания BMW и ее система Valvetronic. Аналогичный принцип использован и в других системах:

• Valvematic от Toyota;

• VEL, Variable Valve Event and Lift System от Nissan;

• MultiAir от Fiat;

• VTI, Variable Valve and Timing Injection от Peugeot.

В системе Valvetronic изменение высоты подъема клапанов обеспечивает сложная кинематическая схема, которой традиционная связь кулачок-коромысло-клапан дополнена эксцентриковым валом и промежуточным рычагом. Эксцентриковый вал получает вращение от электродвигателя через червячную передачу. Вращение эксцентрикового вала изменяет положение промежуточного рычага, который, в свою очередь, задает определенное движение коромысла и соответствующее ему перемещение клапана. Изменение высоты подъема клапана осуществляется непрерывно в зависимости от режимов работы двигателя.

Система Valvetronic устанавливается только на впускные клапаны.