Устройство ГРМ: как устроен газораспределительный механизм

Газораспределительный механизм (ГРМ) — часть двигателя, которая управляет «дыханием» цилиндров. В каждом цилиндре есть как минимум два клапана: впускной пропускает внутрь воздух или смесь воздуха с топливом, выпускной выпускает отработанные газы. Открываться они должны в строго определённые моменты — согласованно с движением поршня. Этим и занимается ГРМ: распределительный вал своими кулачками нажимает на клапаны, а вращает его коленчатый вал через ремень, цепь или шестерни. Если связь между валами нарушится хоть на несколько зубьев, мотор начнёт работать плохо, а если оборвётся совсем — может разрушиться. Ниже — из чего состоит ГРМ, как он работает, что такое фазы и почему обрыв ремня так опасен.

Из чего состоит ГРМ

Пойдём от коленвала к клапанам — по пути вращения.

Часть	Что делает
Шкив или звёздочка коленвала	Берёт вращение от коленчатого вала
Ремень, цепь или шестерни	Передают вращение распредвалу; ремень — зубчатый, из армированной резины
Натяжитель	Держит ремень или цепь натянутыми, чтобы не проскочили зубья
Обводные ролики и успокоители	Направляют ремень или цепь, гасят колебания
Шкив или звёздочка распредвала	Вдвое больше, чем на коленвале, поэтому распредвал крутится вдвое медленнее
Распределительный вал	Вал с кулачками — выступами особой формы; каждый кулачок отвечает за свой клапан
Толкатели или коромысла (рокеры)	Передают нажим кулачка на клапан
Гидрокомпенсаторы	Автоматически убирают зазор между кулачком и клапаном; есть не у всех моторов
Клапаны	Грибовидные стержни: тарелка закрывает отверстие канала в головке блока
Клапанные пружины	Возвращают клапан на место, когда кулачок отошёл
Сёдла и направляющие втулки	Точная посадка тарелки и ровный ход стержня
Маслосъёмные колпачки	Не пускают масло по стержню клапана в цилиндр
Фазовращатель	Поворачивает распредвал относительно шкива на ходу, меняя фазы; есть у многих современных моторов

Как работает ГРМ

Возьмём один цилиндр четырёхтактного двигателя. Подробно о тактах — в статье об устройстве двигателя.

1. Коленвал вращается и через ремень или цепь крутит распредвал. Метки на шкивах выставлены так, что положение распредвала однозначно связано с положением поршней.
2. Впуск. Поршень идёт вниз. Кулачок впускного клапана набегает на толкатель и отжимает клапан вниз, открывая канал. В цилиндр засасывается воздух.
3. Сжатие. Кулачок уходит, пружина захлопывает клапан. Оба клапана закрыты, поршень сжимает смесь.
4. Рабочий ход. Клапаны по-прежнему закрыты, газы давят на поршень.
5. Выпуск. Кулачок выпускного клапана открывает его, поршень идёт вверх и выталкивает газы.
6. Новый круг. За эти четыре такта коленвал сделал два оборота, распредвал — один. Каждый кулачок нажал на свой клапан ровно один раз.

Если клапанов по четыре на цилиндр, два впускных открываются вместе, два выпускных — вместе. Для каждой группы часто делают свой распредвал: так получается схема с двумя распредвалами в головке.

Фазы газораспределения

Фазы — моменты открытия и закрытия клапанов, выраженные в градусах поворота коленвала. На первый взгляд кажется, что впускной клапан должен открываться точно в верхней точке поршня и закрываться в нижней. На деле всё сдвинуто. Воздух в канале обладает инерцией: если открыть впуск чуть раньше и закрыть чуть позже, он успеет набиться в цилиндр плотнее. Выпуск открывают ещё до конца рабочего хода, чтобы газы начали уходить сами.

Отсюда перекрытие клапанов — короткий момент в конце выпуска, когда впускной и выпускной клапаны приоткрыты одновременно. Поток уходящих газов помогает втянуть свежий воздух.

Лучшие фазы для холостого хода и для высоких оборотов разные. Поэтому современные моторы оснащают фазовращателями: электроника по сигналам датчиков чуть поворачивает распредвал относительно шкива. На низких оборотах мотор работает ровно и экономно, на высоких — отдаёт больше мощности.

Ремень, цепь или шестерни

	Ремень	Цепь	Шестерни
Где встречается	Многие легковые моторы	Многие современные легковые моторы, внедорожники	Грузовики, тракторы, часть дизелей
Шум	Тихий	Слышнее	Громче всего
Срок службы	Меняют по регламенту	Обычно дольше ремня, но растягивается	Очень долгий
Как изнашивается	Резина стареет и трескается, зубья срезаются	Цепь удлиняется, изнашивается натяжитель	Почти не изнашиваются
Опасность	Рвётся внезапно	Перескакивает через зубья звёздочки при сильном растяжении	Редко выходят из строя

Нижний и верхний распредвал. У старых моторов распредвал стоял внизу, в блоке, и нажимал на клапаны через длинные штанги. У современных распредвалы находятся в головке блока, прямо над клапанами: деталей меньше, мотор легче раскручивается до высоких оборотов.

Интересные факты

• Почему впускной клапан больше выпускного. Воздух в цилиндр затягивается лишь небольшой разницей давлений, и ему нужен широкий проход. Газы же выходят под давлением сами, им хватает отверстия поменьше. Зато выпускной клапан работает в потоке раскалённых газов и сделан из более жаростойкой стали.
• Почему мотор тикает на холодную. Гидрокомпенсаторы заполняются маслом под давлением. После долгой стоянки часть масла из них уходит, и первые секунды после запуска слышно лёгкое цоканье. Когда давление поднялось, звук пропадает. Если тиканье не проходит на прогретом моторе — пора в сервис.

Почему при обрыве ремня гнёт клапаны

У многих двигателей, особенно с высокой степенью сжатия, камера сгорания очень тесная. Полностью открытый клапан опускается в цилиндр так глубоко, что занял бы место, куда поршень приходит в верхней точке. В исправном моторе они никогда не встречаются: ГРМ успевает закрыть клапан или почти закрыть его к моменту, когда поршень поднимется.

Если ремень рвётся, распредвал мгновенно останавливается, и какие-то клапаны остаются открытыми. А коленвал с поршнями ещё вращается по инерции. Поршень поднимается и бьёт по тарелке открытого клапана. Стержень клапана гнётся, в худшем случае страдают поршни, направляющие втулки и головка блока. Ремонт выходит дорогим.

На других моторах в поршнях сделаны выемки под тарелки клапанов, и встречи не происходит. Такой мотор после обрыва ремня просто глохнет, и после замены ремня снова работает. Какой у вас двигатель, стоит узнать заранее.

Когда менять ремень ГРМ и на что смотреть

• По регламенту. Интервал указан в сервисной книжке: в километрах пробега и в годах — что наступит раньше. Резина стареет, даже если машина ездит мало.
• Трещины и расслоения. Видны на тыльной стороне ремня. Появились — ремень меняют, не дожидаясь срока.
• Масло на ремне. Течёт сальник коленвала или распредвала. Масло разъедает резину, и ремень служит намного меньше.
• Шум и вой. Износились подшипники роликов или помпы. Заклинивший ролик рвёт ремень, поэтому ролики меняют комплектом вместе с ремнём.
• Цепной привод. Стрёкот при запуске холодного мотора, ошибки по фазам на панели — признаки растяжения цепи или износа натяжителя.

Замена ремня требует точной установки меток и затяжки деталей с нужным усилием. Это работа для сервиса: ошибка на один зуб — и двигатель работает плохо, а на моторе, который гнёт клапаны, ошибка может стоить ремонта головки. Как ГРМ связан с остальными узлами машины, показано в обзоре устройства автомобиля, а чем отличается мотор, где топливо воспламеняется от сжатия, — в статье об устройстве дизельного двигателя.