Всё про распредвал (распределительный вал). Распредвалы

Доброго времени суток, уважаемые автолюбители! Давайте мы с вами вместе попробуем разложить по полкам, в буквальном смысле слова, устройство одной из важных составляющих газораспределительного механизма (ГРМ) двигателя - распределительный вал.

Устройство распредвала

Распредвал выполняет далеко не последнюю функцию в работе двигателя автомобиля – он синхронизирует впуск и выпуск тактов работы двигателя.

В зависимости от типа двигателя, ГРМ может быть с нижним расположением клапанов (), так и с верхним расположением клапанов (в ).

В современном моторостроении предпочтение отдаётся верхнему расположению ГРМ. Это позволяет упростить процесс обслуживания, регулировки и , благодаря простоте доступа к деталям ГРМ.

Конструктивно распредвал связан с коленвалом двигателя. Это соединение осуществляется посредством ремня или цепи. Ремень или цепь распредвала надета на шкив распредвала и звездочку коленвала. Привод распределительного вала осуществляется за счет .

Наиболее эффективным считается шкив распредвала - , который применяется для с целью увеличения мощностных характеристик двигателя.

На головке блока цилиндров расположены подшипники, в которых вращаются опорные шейки распредвала. В случае ремонта для крепления опорных шеек используются ремонтные вкладыши распредвала.

Осевой люфт распредвала предотвращают фиксаторы распредвала. По оси распределительного вала выполняется сквозное отверстие. Через него осуществляется смазка трущихся поверхностей деталей. С задней стороны это отверстие закрывает заглушка распредвала.

Кулачки распредвала – важнейшая составная часть. Их количество соответствует количеству впускных и выпускных клапанов двигателя. Именно кулачки и выполняют основное назначение распредвала – регулировка фаз газораспределения двигателя и .

Каждый клапан имеет свой, индивидуальный кулачок, который его и открывает, «набегая» на толкатель. Когда кулачок сходит с толкателя, под действием мощной возвратной пружины клапан закрывается.

Кулачки распредвала располагаются между опорными шейками. Два кулачка: впускной и выпускной на каждый цилиндр. Кроме того, на вал крепится шестерня для привода прерывателя-распределителя и масляного насоса. Плюс эксцентрик для приведения в действие топливного насоса.

Газораспределительная фаза распредвала подбирается опытным путём, и зависит от конструкции впускных и выпускных клапанов и числа оборотов двигателя. Производители для каждой модели двигателя указывают фазы распредвала в виде диаграмм или таблиц.

На опорах распредвалов устанавливается крышка распредвала. Передняя крышка распредвала – общая. В ней установлены упорные фланцы, входящие в проточки в шейках распредвалов.

Основные детали ГРМ

• Клапаны : впускные и выпускные. Клапан состоит из стержня и тарельчатой плоскости. Седла клапанов являются вставными для простоты их замены. Головка впускного клапана по диаметру больше, чем выпускного.
• Коромысло служит для передачи усилия клапану от штанги. В коротком плече коромысла существует винт для регулировки теплового зазора.
• Штанга предназначена для передачи усилия от толкателя к коромыслу. Одним концом штанга упирается в толкатель, а другим - в регулировочный болт коромысла.

Принцип работы распредвала

Распредвал находится в развале блока цилиндров. С помощью зубчатой или цепной передачи распредвал приводится в действие от коленчатого вала.

Вращение распределительного вала обеспечивает воздействие кулачков на работу впускного и выпускного клапанов. Это происходит в строгом соответствии с фазами газораспределения и .

Для правильной установки фаз газораспределения существуют установочные метки, расположенные на распределительных шестернях или на приводном шкиве. С этой же целью кривошипы коленвала и кулачки распредвала должны быть в строго определенном положении, относительно друг друга.

Благодаря установке, производимой по меткам, соблюдается последовательность чередования тактов – порядок работы цилиндров двигателя. Порядок работы цилиндров зависит от их расположения и конструктивных особенностей коленвала и распредвала.

Рабочий цикл двигателя

Период, когда впускной и выпускной клапаны в каждом цилиндре должны открыться один раз - это и есть рабочий цикл двигателя. Он осуществляется за 2 оборота коленвала. В это время распредвал должен сделать один оборот. Именно для этого и имеет в два раза больше зубьев.

Количество распредвалов в двигателе

Эта величина, как правило, зависит от . Двигатели с рядной конфигурацией и одной парой клапанов на цилиндр имеют один распредвал. Если на цилиндр предусмотрено 4-е клапана, то два распредвала.

Оппозитные и V-образные двигатели имеют один распредвал в развале, либо два, по одному распредвалу в каждой головке блока. Существуют также исключения, связанные с конструктивными особенностями модели двигателя. (например, рядное – один распредвал при 4-х клапанах на цилиндр, как у Мицубиси Лансер 4G18).

Современный рынок предлагает потребителю разные двигатели с разными системами изменения фаз газораспределения. Наиболее характерные из них:

VTEC – технологическая разработка компании Honda. Регулировка фаз происходит посредством использования для регулируемого клапана 2 кулачков.

VVT-i - от фирмы Toyota. Регулировка фаз производится поворотом распредвала относительно его приводной звёздочки.

Valvetronic - технологическая разработка компани BMW. Регулировка высоты подъёма клапанов происходит за счёт изменения положения оси вращения коромысел.

Успехов вам в изучении устройства двигателя своего автомобиля.

Механизм газораспределения осуществляет впуск в цилиндры свежих порций горючей смеси и выпуск из них продуктов сгорания, отработавших газов. Эти процессы происходят в соответствии с принятым для данного двигателя порядком работы цилиндров, то есть 1-3-4-2. С отсчетом от шкива распредвала.
К механизму газораспределения (ГРМ) относится ремень распределительного вала, сам распределительный вал, выпускные и впускные клапана, пружины клапанов, винты толкатели и коромысла. Кулачок распредвала действует на клапан через коромысло, как качели. Каждому из клапанов соответствует 1 индивидуальный кулачок. В системе VTEC на кулачки впускных клапанов дополненные еще одним кулачком с большей высотой клапана и большей длительностью открытия клапана.
Внешняя пара кулачков в распредвале системе SOHC для открытия выпускных клапанов, внутренняя пара для впускных клапанов. Дополнительный кулачок VTEC ставится между впускными кулачками.

Характеристики кулачков

Кулачок имеет несколько характеристик это подъем, база, высота, профиль, длительность или продолжительность и крутизна.
База База это диаметр вала, размер при котором коромысло и клапана находится в 0 состояние, обычно является шириной кулачка (распредвала) X. Высота Высота это самый большой размер на кулачке, обычно меряется, Y. Подъем , вычтите из Базы Высоту (Y-X) И получите подъем кулачка. Размер на который предположительно будет подниматься клапан. Подъем можно увеличить двумя способами, либо уменьшением базы, либо заменой распредвала с высотой кулачка больше раннего. Пример, база распредвала 30мм, высота 40мм. 40-30 и клапан опустится (идеально) на 10 мм. Сточите базу на 4мм в диаметре (2мм по радиусу), и получите 38-26 уже 12 мм.

Пропускная способность и подъем

Во впускном канале ГБЦ имеется сечение S которое перекрывается клапаном S1. При закрытом клапане S1=1 то есть ничего не проходит, при начале движение клапана S1 начинает расти и в какой то момент, обычно полностью открытый клапан, S1=S. Это идеально событие которое необходимо для впуска и выпуска, далее клапан закрывается и S1 начинает уменьшаться до 0.
Как вы понимаете эта система похожа на водопровод, у вас есть входная труба и кран, напор увеличивается по мере открывания крана. В какой то момент выходящий напор сравнивается с поступающим, то есть фактически нет сопротивления потоку. Если у вас есть ход крана, то покрутив его вы можете не добиться ничего. Впускная труба имеет четко заданную пропускную способность. Поэтому опускать клапана в MAX не нужно и не имеет смысла.
Другое дело попробовать поддержать клапан в открытом положение на много дольше, для это профиль кулачка делают менее острым и тогда клапан как бы "зависает" на время его фазы. Ниже я представил анимацию разных типов (даже не реальных) как ведет себя клапан при разных профилях.

• A — нормальный кулачок распредвала
• B — кулачок со сточеной кромкой подъема, меньше длительность
• C — кулачок распредвала в большим подъемом
• D — нормальный кулачок с той же высотой, но со шлифованной базой. Экстремальное опускние клапана
• E — широкий профиль кулачка, большая длительность

Анимация работы распредвала с разными кулачками, с одним клапаном

Количество зубов на ремне и шкиве

На большинстве Шкивов распредвала в двигателях D-Серии D15B-D14-D16 на шкиве 38 зубов, тоесть по 9.47 градусов на зуб, или 18.97 градусов на полный цикл работы двигателя. Длина ремня бывает 103, 104, 106 зубов. Причем на одном и том же блоке в зависимости от количества зубов, высоты блока и ГБЦ количества зубов меняется. Так для D14A4 38 на шкиве и 103 на ремне, а вот на D14A2 на ремне 106 зубов.

Опыт со шприцом

Для понимания наполнения смесью цилиндра можно использовать модель которая есть наверное у всех дома. RPM, Количество оборотов минуту. Чем выше обороты, тем выше скорость движения поршня по цилиндру и тем меньше времени на открытие клапанов. Возьмите шприц, я серьезно, найдите новый чистый шприц без иглы и опустите его в воду. В первом случае медленно потяните за поршень. Естественно вода заполнит почти весь объем. Вылейте воду. Теперь попробуйте сделать тоже самое только более резким движением... Сколько вы набрали? Только половину? Меньше? Тоже самое и в двигателе. Конечно, в двигателе поршень не останавливается на середине, объем остается прежним, а плотность уменьшается.
Мало воздуха, значит мало топлива. Значит, смеси получится мало. К примеру VTEC-E (с 12 клапанами до 2500 оборотов) мало того что на трассе потребляет 6 литров, так еще и со старта выигрывает у многих соперников, ввиду своей «тяговитости и задушености».
Еще один пример, зима лед, вы застряли. Если вы раскрутите двигатель до максимальных оборотах то не сдвинетесь не с места, наоборот же на низких оборотах сыграет не мощность, а именно момент.

Газораспределительный механизм в цифрах

Я советую либо себе зарисовывать для понимания. 4х тактовый двигатель называется так, потому что полный цикл составляет 4 действия: Впуск, сжатие, воспламенение и выпуск. Коленвал совершает 1 оборот, тоесть 360 градусов. 180 градусов на опускание поршня, 180 градусов на поднятие поршня. Но так как тактов (действий) 4, а не 2 то коленвалу придется повторить цикл. Тоесть полный цикл работы двигателя в 4 такта составляет 2 оборота или 720 градусов.
Распредвал, который делает полный оборот (360) является "схемой" работы впускных и выпускных клапанов и задает очередность работы цилиндров. В нашем случае 1-3-4-2 со стороны шкива. Распредвал крутится в 2 раза медленнее нежели коленвал, 1 градус на распредвале это 2 градуса полного цикла коленвала. Кстати датчик тахометра располагающийся в распределители меряет именно оборот распредвала и путем механического "умножения" на два выводит обороты на консоль.
Если работу двигателя (Впуск, сжатие, воспламенение и выпуск) нарисовать в виде четвертей круга то получится что впускной клапан и выпускной клапан работает только в 1 и 4 четвертях. Но не думайте что клапаны работают только 90 градусов (180 коленвала), ведь клапану нужно время на открытие и закрытие. Поэтому есть дополнительные градусы относительно Нижней Мертвой Точки (НМТ) и Верхней Мертвой Точки (ВМТ) относительно коленвала. Этот угол в пределах 180 — 240 Градусов определяется рабочей поверхностью профиля кулачка.
Угол между центрами кулачков впуска и выпуска называется углом перекрытия, в работе двигателя являющимся продувкой. В последнем 4 такте, выпуск, когда выпускной клапан в процессе закрытия, и отработавшие газ выходят через него, открывается впускной клапан. Тем самым новая смесь уже начинает заходить в цилиндр, а выходящие газы меньше нагревают двигатель, и как бы выходя из цилиндра пытаются через впускной коллектор затянуть новую смесь. Вообще двигатель это большой воздушный насос с кузовом, ваша задача обеспечить оптимальную работу насоса, и как можно эффективней перекачать воздух с меньшим уменьшением ресурса.

Примерные длительности фаз, что для чего

Mike Kojima, приводит пояснение длительностей фаз, которые обычно используется в построение двигателя, градусы приведены для коленвала.

• 240 градусов, с углом перекрытия 15 — обычное стоковое значение для работы в пределах 700-6500 оборотов, очень экономично.
• 265 гр, с перекрытием в 30 градусов, работает в диапазоне 4000-7500 оборотов, ХХ нужно поднять до 900RPM, подходит для начального тюнинга и уличных "покатушек".
• 280 гр, 4500-8000 оборотов, еще проходит экологичные нормы но ХХ уже на 950RPM подходит для гонок по кольцу к примеру.
• 290 гр, с поднятием около 11мм, обычно такие кулачки ставятся на VTEC. Работа идет на уже на высоких оборотах 5500-8500. ХХ уже 1200 оборотов, экологические нормы уже не проходит и конечно больше предназначены для гонок нежели другие предыдущие примеры.
• 305 гр, с высоким поднятием около 13мм, работает в диапазоне 7000-9500 оборотов, ХХ на этих кулачках около 1400 RPM. С таким распредвалом уже нужно перерабатывать и ГБЦ, и заменять впускной коллектор, можно работать с поршнями СЖ в 12:1. Имеются кстати варианты в 320 градусов фазы... Но это уже профессиональный спорт.

Лирика:Цель

Я всегда говорю, что вам нужно поставить для себя цель. Что вы хотите получить. От этого все и идет, понимаете что инженеры Honda пытались найти оптимальную работу для среднего пользователя и сделали за 10 лет 150 минимум комбинаций двигателей, с разными поршнями, системами ГРМ, и объемами от 1.2 до 1.7 литра. И не пришли к единому выбору.
Хотите мощность, и большую скорость уходите в верха, будете «жужжать» на 9000 оборотах. Немного доработок и правильная настройка и у вас получится отличный снаряд. Хотите больше машину на каждый день в бюджетном виде, уходите в низы. Хороший момент даст хороший старт, и экономность в городе и на трассе. Двигатели 3-Stage наверное выигрывают и там и там за счет своей системы.

Угол перекрытия

Я несколько раз в статье вставляю одну и туже картинку, вы должны видеть и понимать о чем я пишу. Угол перекрытия это время при котором оба клапана открыты, физически это угол между осями (центрами) кулачков. Чем меньше угол перекрытия тем лучше низкие обороты и момент. Чем больше угол перекрытия тем лучше верхние обороты и соответственно мощность. Конечно в SOHC системе нельзя настроить угол перекрытия, в отличие от DOHC (двувальной) системе ГРМ, но есть возможность отрегулировать фазы.

Разрезная шестерня [нужно проверить]

Самым дешевым тюнингом является разрезная шестерня. Нужна она для изменения фаз тактов впуска и выпуска. Раньше впуск, верхние обороты поднимутся и увеличится мощность, раньше выпуск и увеличится мощность и тяга на низах. Самое интересное в данной настройке, что в низах ваш мозг уже настроен. Ваш пик по мощности уже настроен для работы до 6600 оборотов, до этого предела двигатель настроен, спустите момент немного ниже и все, машина немного изменит характер.
Конечно если вы меняете сам распредвал, то придется все же настраивать смеси топливные карты.
Смотря на Шкив распредвала, вы увидите что он крутится против часовой стрелки, если относительно него распредвал повернуть по ходу движения то впускные клапана открываются и закрываются раньше что благоприятно сказывается на низах, если же вращать по часовой стрелки распредвал то вы уйдете в высокие обороты то есть в мощность.

DOHC или SOHC?

В SOHC кулачки выпускного и впускного клапанов находятся на одной оси (вале) и естественно неподвижны. Единственное что вы можете сделать это суммарно поменять фазы впуска и выпуска используя разрезную шестерню. Крутим в одну сторону уменьшаем впуск и увеличиваем выпуск, в другую на оборот. Если же вы берет двувальную систему, то у вас есть возможность регулировать фазы как для впуска так и для выпуска. Причем вы можете еще и поменять один из двух распредвалов не меняя настройки его пары. Именно поэтому DOHC в этом плане выигрывает у SOHC систем.

Дополнительные рисунки к сравнению кулачков

Данная статья актуальна для автомобилей Honda выпуска 1992-2000 годов, таких как Civic EJ9, Civic EK3, CIVIC EK2, CIVIC EK4 (частично). Информация будет актуальна для владельцев Honda Integra в кузовах DB6, DC1, с моторами ZC, D15B, D16A.

На большинство вопросов вам может помочь сообщество

Распредвал впускает рабочую смесь в двигатель и выпускает отработавшие газы. Распредвалы отличаются высотой кулачка, его профилем (он может быть острым, круглым или «квадратным»), и фазой открытия клапана. В стандартном моторе ВАЗ с 16 клапанами распредвал открывает клапаны на 7.6 мм на впуске, и столько же на выпуске. Фаза открытия клапанов 256 градусов. Такие распредвалы дают на моторе объёмом 1.5 литра мощность в 91 лошадиную силу.Фаза открытия достаточно большая, но подъём расчитан на тягу с низких оборотов. На заводе уделили больше внимания городской езде, и максимальная мощность и скорость стандартного автомобиля искуственно ограничена в угоду неспешной езде и стоянию в пробках. 16 клапанный мотор имеет огромный скрытый потенциал для увеличения мощности, высота подъёма клапана может доходить до 14 мм, почти в 2 раза больше, чем на стандартном. Увеличение кулачков распредвала не только увеличивает мощность, но и максимальную скорость. «Так что же сделать, что бы увеличить мощность мотора до 100, 150 л/с?»- спросит нетерпеливый автотюнер. Ну для начала нужно увеличивать подъём и фазы на распределительном валу. Широкими фазами увлекаться не стоит, чем шире фазы на распредвалу, тем хуже тяга на низких оборотах. А вот подъём клапана, размер клапана, и форма кулачка распредвала дают существенную прибавку мощности и максимальных оборотов двигателя.

Интересную систему применили японцы компании Honda на моторах VTEC. На маленьких оборотах клапан открывает маленький кулачок распредвала, а на больших очень большой. Таким образом на малых оборотах у вас мотор тяговитый, как у трактора, а на больших оборотах как ракета. Такая схема газораспределения является идельной.
Обратите внимание: маленький кулачок имеет круглую форму, большой - «квадратную», для наибольшего впуска.

Немного об устройстве моторов Формулы 1:

Чем же этот мотор отличается от обычного, который ставят в городской автомобиль? Ну прочность и лёгкость материалов обсуждать не будем, это очевидно. Рассмотрим основные конструктивные отличия. Пик мощности приходится примерно на 20000 оборотов в минуту, тогда как обычный мотор достигает своего предела примерно на 5500. Соответственно и мощность мотора формулы примерно в 4 раза больше, аналогичного по объёму стандартного. Если представить что 1.5 литровый ВАЗ имеет свой пик мощности на 20000 об/мин, то его мощность равнялась бы 400 л/с.Но к сожалению у стандартных блоков немного другая конфигурация, отличающаяся от блока цилиндров формулы 1. Чем достигаются такие большие обороты? Размерами клапанов, их подъёмом и фазой открытия. То есть чем больше эти параметры, тем в более высокую зону оборотов уходит максимальная мощность. Нужно ли говорить, что для городской езды такие автомобили не применимы. Холостые обороты у такого мотора около 6000 об/мин.

Увеличение подъёма клапана и увеличение размера клапана дают почти одинаковый эффект, и позволяют увеличить наполнение цилиндров рабочей смесью. Увеличивается максимальная мощность и скорость автомобиля за счёт сдвигания пика работы мотора в зону высоких оборотов. Но, клапаны нельзя увеличить очень сильно на стандартном моторе, так как для них просто не хватит места. Да, места в нашей камере сгорания действительно маловато. На Формуле 1 применяются огромные клапаны, потому что диаметр цилиндра очень большой, а ход поршня маленький. Благодаря такой компоновке мотора (короткоходный) его удаётся раскрутить до 20000 об/мин. Соответственно подъём клапана и фаза его открытия тоже большие. Вот в принципе и весь секрет моторов Формулы 1.

Но с обычной компоновкой мотора обороты тоже можно значительно повысить, максимально до 9000-11000 об/мин, что обеспечивает неплохую мощность. Увеличение фазы открытия клапана иногда значительно превышает 300 градусов, то есть клапан открыт и на соседних тактах работы мотора. Нужно ли говорить что такой мотор на малых оборотах не может работать и используется только на максимальных режимах. Так что к подбору фазы открытия клапана нужно подходить разумно, подбирая его для каждого вида спорта или любительской езды, отдельно.

Широкая фаза на распредвалу

атмосферных двигателей нужна не только для того, что бы максимально наполнить цилиндры воздухом, и быстрее выпустить отработавшие газы. Когда фаза впуска и фаза выпуска достаточно большие, они накладываются друг на друга, это называется перекрытием клапанов. То есть фаза выпуска ещё не завершена, а уже открывается впускной клапан.
На стандартном распредвале перекрытия почти нет, это обеспечивает хорошую тягу на низких оборотах. На высокофорсированных моторах перекрытие достигает несколько десятков градусов. Это нужно для того, что бы использовать инерцию вылетающих отработавших газов для заполнения цилиндров свежей смесью. Дело в том, что в конце такта выпуска выхлопные газы со скоростью звука «комом» двигаются по выпускным трубам, создавая эффект поршня, и давление в выпускном коллекторе в определённый момент падает ниже атмосферного. Вот в этот момент и нужно открыть впускной клапан, что бы свежая рабочая смесь заполнила цилиндр. Этот эффект достигается только на высоких оборотах, а на низких оборотах перекрытие клапанов абсолютно бесполезно, даже снижает мощность двигателя.

Распредвал для турбо моторов

отличается от спортивных атмосферных распредвалов. На турбо моторе задача стоит так же - наполнить цилиндры как можно большим количеством рабочей смеси, и быстрее выпустить отработавшие газы. На высокофорсированных турбированных двигателях подъём и размер клапана должны обеспечивать проходимость большого количества газов с минимальными усилиями. А с фазами, и перекрытием дела обстоят несколько иначе, чем на атмосферных двигателях.
Как мы уже знаем, перекрытие клапанов на атмо моторе даёт эффект продувки цилиндров, в то время как на турбо моторе наполнение происходит с помощью буста. И если применять распредвалы от «бодрого атмосферника» с широкой фазой, например 316 градусов , то при перекрытии впускного и выпускного клапанов происходит падение эффективности буста, на низких и средних оборотах, и появляется большая «турбояма» . Буст начинает работать только в зоне высоких оборотов, и рост мощности не эластичен, а пикообразен.
Поэтому на турбо моторах применяют распредвалы с небольшим перекрытием , как на стандартном моторе, рекомендуемая фаза 280 градусов . Подъём и размер клапана желательно использовать максимально-возможные для используемой ГБЦ. Естественно каналы ГБЦ не должны быть уже по проходимости воздуха, чем полностью открытый клапан.
Часто возникает вопрос: какая взаимосвязь между широкой фазой распредвалов и большим перекрытием? Ведь можно на широкофазных валах выставить маленькое перекрытие?
Ответ: если на валах с широкими фазами выставить нулевое перекрытие такта 4-выпуск и такта 1-впуск , тогда придёться нарушить работу такта 2-сжатие и такта 3-рабочий ход , которые будут проходить с открытыми клапанами. Это уменьшает КПД двигателя, и его мощность.