Конструкція розподільчого вала змінюється за формою, але залишається незмінною за своєю суттю. Незалежно від того, які модифікації з ним відбуваються, розподільчий вал залишається незмінною деталлю двигунів внутрішнього згоряння.
Функції розподільчого вала
В ДВЗ розподільчий вал відповідає за відкриття і закриття впускних і випускних клапанів, тобто за газорозподіл безпосередньо в камері згоряння двигуна. Від особливостей конструкції мотора і самого розподільчого вала, а також коректного налаштування ГРМ, залежить ефективність роботи двигуна: потужність, динаміка, ККД. Еволюція двигунів тягне за собою і деякі зміни в формі і функціях розподільчого вал: створюються системи, що підлаштовують газорозподіл під частоту обертів, встановлюються вали на впуск і випуск окремо, і, звичайно, змінюються матеріали і способи обробки металів.
Конструкція розподільчого вала
В більшості випадків розподільчий вал виточується з суцільного металевого циліндра, і тільки деякі виробники встановлюють накладки з кулачками на вісь, створюючи не суцільну, а збірну конструкцію (наприклад, розподільчий вал на Audi Valvelift System (AVS), на якому кулачки переміщуються на вісі розподільчого вала). Але наразі в більшості автомобілів використовуються суцільнолиті конструкції розподільчих валів, виготовлені з чавуну або зносостійких шарів стали. Додаткову твердість готові вали отримують в результаті загартування: азотування, лазерної обробки, відбілювання і т.д.
Основними конструктивними елементами розподільчого вала є кулачки, які відкривають клапани безпосередньо або через штовхачі. Опорні елементи (шийки) встановлюються в підшипники ковзання (вкладки), на яких розподільчий вал обертається завдяки ефекту оливного клина з мінімальним тертям.
При обертанні вала кулачки в строгій черговості відкривають клапани (як правило, на один клапан – один кулачок, хоч є й інші варіанти конструкції), а закриття їх відбувається за рахунок пружин.
Принцип роботи розподільчого вала
Особливу увагу конструктори приділяють формі і розмірам кулачків, адже саме від їх параметрів залежить, на яку висоту і на який час відкриються клапани, а значить, наскільки ефективно буде подаватися повітря і відводитися вихлопні гази.
Існує закономірність: чим довше відкритий клапан, тим більше повітря надходить в камеру згоряння, а значить, можна подати більше палива. З іншого боку, занадто тривале відкриття клапана загрожує «поцілунком» між ним і поршнем. Це протиріччя і намагаються всіма силами вирішити інженери.
Для спортивних двигунів розроблені спеціальні розподільчі вали, зі зміненою геометрією кулачка, що на більш тривалий термін відкриває клапан. Така конструкція дозволяє мотору розвивати максимальну потужність, що і потрібно для автогонок. Однак при цьому на порядок зростає споживання палива навіть на холостому ходу, що абсолютно не підходить для щоденного використання машини.
Порівняння профілю кулачків звичайного (зліва)
і спортивного (праворуч) розподільчих валів
Швидкість обертання розподільчого вала в два рази менше, ніж у колінчастого вала: за один повний такт двигуна колінчастий вал робить два повних оберти, але кожен з клапанів повинен відкритися тільки один раз (на такті стиснення і робочому такті обидва клапана закриті). Для синхронізації швидкості обертання коленвала і ГРМ використовується ремінна або ланцюгова передача (зубчастий ремінь або ланцюг ГРМ), і найдосконалішим на сьогоднішній день варіантом є розрізна шестерня, зафіксована на одному кінці розподільчого вала, на яку передається обертання від двигуна. Конструкція шестерні для ременя і ланцюга відрізняється.
Розрізна шестерня для ланцюгового (зліва)
і ремінного (праворуч) приводу
Тонкощі конструкції
Від висоти і профілю кулачків залежить глибина і тривалість відкривання клапана.
На малюнку видно, що кулачок С більше за висотою, ніж інші, D має тоншу вісь і за рахунок цього опускає клапан нижче, а з Е клапан найдовше протримається у відкритому положенні (тільки теоретично, на практиці такий профіль кулачків не використовується ).
На розподільчих валах, незалежно, встановлений він один на впуск і випуск, або на різні клапани ставляться окремі вали, передбачена так звана фаза перекриття: момент, коли випускний клапан ще не закрився, а впускний вже відкривається. Конструктори називають це продувкою: потік відпрацьованих газів, виходячи, створює додаткове розрідження, що полегшує надходження повітря в камеру згоряння. Чим менший кут перекриття (приблизно від 15 градусів), тим економічніший мотор і краще прийомистість на низьких обертах. І навпаки, чим довше обидва клапана залишаються відкритими одночасно, тим краще прийомистість мотора на високих обертах, але втрачається економія палива і екологічні норми.
Схема побудови фаз на розподільчий вал
Типи розміщення розподільчого вала в двигуні
В конструкції двигуна може бути присутнім один, два або чотири розподільчі вали, залежно від компонування циліндрів і кількості клапанів.
При лінійному розташуванні і 2-3 клапанами на циліндр встановлюється один розподільчий вал, що керує і впуском, і випуском (система SOHC).
При 4 клапанах на циліндр ставиться 1 або 2 розподільчі вали (система DOHC – окремі вали на впуск і випуск).
Для V-образних або опозитних двигунів розподільчий вал встановлюється на кожен з блоків циліндрів окремо (один загальний на ряд або по два на ряд), або один загальний розподільчий вал на всі циліндри (ставиться по центру, в розвалі двигуна). Конструктори вважають за краще розділяти впускні і випускні вали, щоб зменшити навантаження на них і складність конструкції.
Як правило, впускний і випускний розподільчий вал майже не відрізняються: однакова довжина і діаметр вала, однакова висота і профіль кулачків. Різниця може полягати в конструкції крайніх опорних шийок і приводних шківів.
На один з розподільчих валів встановлюється датчик положення, для якого виділяється окреме посадкове місце.
Розташування розподільчого вала щодо клапанів може відрізнятися в різних конструкціях двигунів. У старих або малопотужних моторах вал встановлюють збоку від клапанів, поєднуючи їх з кулачками через рокери (Т-образні коромисла) і штанги. Така система називається бічним або нижнім розташуванням розподільчого вала «Cam-in-Block». Їх перевага в більш простій системі змащування (найчастіше розподільчий вал встановлюється прямо в картері), а недолік – в складній доступності для заміни.
Мотори більш пізніх конструкцій робилися з розподільчими валами безпосередньо над клапанами, що полегшує обслуговування і ремонт. Таке розташування, коли кулачки вала тиснуть безпосередньо на штовхачі, називають верхнім або «Cam-in-Head». Змащувати верхній розподільчий вал дещо складніше: система подачі оливи повинна працювати безперебійно, в тому числі це стосується оливних каналів і отворів в самому розподільчому валі.
Трохи про моторну оливу
Довга і безперебійна робота ГРМ, і в тому числі розподільчого вала, безпосередньо залежить від якості оливи. Подача оливи на підшипники ковзання (ліжку і вкладиші распредвала), а також на поверхню кулачків, повинна бути безперебійною. Отвори всередині розподільчого вала, призначені для подачі оливи до пар тертя, досить тонкі і розраховані на моторну оливу певної в'язкості і якості. Несвоєчасна заміна або неправильний підбір оливи приводять до засмічення каналів, після чого тертя розподільчого вала відбувається не по шару рідини (гідродинамічне планування), а по поверхні метал-метал. Підсумок цього процесу сумний, але передбачуваний: швидке зношення кулачків (іноді до стану ідеальної окружності) і штовхачів, а також шийок і вкладок призводить до збоїв в роботі двигуна. Від надмірного тертя розподільчий вал може зламатися, а це вже загрожує не тільки його заміною, але і капремонтом двигуна. Особливість конструкції розподільчого вала в тому, що навіть мінімальне спрацьовування призводить до його вібрації і остаточного виходу з ладу. У більшості випадків основною причиною ремонту розподільчих валів є саме неякісна олива, несвоєчасна її заміна або невідповідна в'язкість. При нормальному ТО ресурс розподільчого вала буде настільки ж тривалим, як і ресурс самого двигуна.
Інші причини несправності розподільчого вала
Крім оливного голодування, причинами поломок може стати перегрів, від якого метал «веде», природне зношення (рано чи пізно все зношується, як не старайся), поломки суміжних деталей (шків, ланцюг або ремінь ГРМ), а також спочатку низька якість розподільчого вала (поганий метал, неточне виготовлення). Ознаки можна визначити візуально або навіть на слух: характерним симптомом несправності саме розподільчого вала буде стукіт при запуску холодного двигуна (на початку проблеми стукіт пропадає, коли мотор прогріється, а з погіршенням ситуації двигун буде стукати постійно).
Спрацьовані елементи і задираки на шиях, підшипниках, сальниках або кулачках – однозначний сигнал для заміни деталі.
Неякісний розподільчий вал може викривлятись (деформація, як правило, визначається не візуально, а тільки на спеціальному обладнанні) через прогинання опорних шийок. Для легкових автомобілів допустима ступінь викривлення розподільчого вала становить 0,05 мм, якщо більше – посилюється вібрація, виходять з ладу суміжні вузли двигуна.
В разі неправильного встановлення вала, а також некоректної збірки двигуна (недотягнуті кріпильні болти ГБЦ, розподільчого вала, шківів і шестерень) з'являється вібрація під час роботи. Вал зриває кріплення, після чого двигун в більшості випадків відправляється на капремонт. На самому розподільчому валі можуть з'явитися тріщини, а пази під штифти розбиваються під навантаженням.
Ремонт розподільчого вала проводити недоцільно: ніяке шліфування або напилення не поверне його якість. У разі виходу з ладу деталь просто замінюють на нову, попутно встановлюючи нові кріпильні болти і перевіряючи ланцюг або ремінь ГРМ.
Що буде далі? Еволюція ГРМ
Технології не стоять на місці, і сьогодні можна вже говорити про те, як зміниться робота газорозподільного механізму і зокрема розподільчого вала. Основні напрямки роботи конструкторів – підвищення економічності двигунів, зменшення шкідливих викидів і збільшення віддачі потужності як на високих, так і на низьких обертах. Для цієї мети розроблено кілька концептів, в яких або використовується змінений розподільчий вал, або не використовується взагалі.
Умовно можна виділити кілька основних напрямків роботи:
- зміни в роботі розподільчого вала: установка додаткових кулачків, проворот розподільчого вала для збільшення кута перекриття і т.д.;
- використання інших систем управління відкриттям клапанів: електронне управління, магнітні або пневматичні штовхачі;
- двигуни без клапанного механізму.
Концерн Honda запропонував кілька варіантів поліпшення розподільчого вала. Наприклад, це система DOHC i-VTEC, в якій підйомом клапанів керують кулачки з низьким профілем (на малих обертах) або з високим профілем (на режимі 5800 об / хв).
Дуже схожий принцип використаний в моторах Mitsubishi Pajero IV – система газорозподілу MIVEC, що управляє висотою і тривалістю відкриття клапанів.
Другий варіант управління впуском – система VTEC-E від Honda, при якій на малих обертах відкривається тільки один впускний клапан, а на великих – обидва. Це вдалося реалізувати за допомогою системи VTC, при якій розподільчий вал провертається щодо своєї нульової точки під тиском оливи.
Схожий спосіб управління впуском створив і концерн Volkswagen: блок з кулачками кріпиться на валу за допомогою шліцевого з'єднання, і під дією керуючого механізму може зміщуватися щодо поздовжньої осі. Таким чином, над клапанами розташовуються кулачки або з низьким, або з високим профілем, залежно від режиму роботи двигуна.
Розробка Volkswagen відкриває широкі можливості: за допомогою такого підходу можна управляти системою газорозподілу в великому діапазоні, в тому числі підключати або відключати циліндри при необхідності.
Інший варіант запропонувала шведська компанія Koenigsegg: управляти роботою клапанів за допомогою пневматичних механізмів, а не розподільчого вала, що в теорії може дати надбавку потужності до 30% і збільшення крутного моменту до 20 тис. об./хв. У 2015 році компанія представила і реалізацію цього принципу: автомобіль Regera з гібридним двигуном потужністю 1500 к.с. Наскільки успішною буде ця розробка, покаже тільки час.
Двигуни без клапанів – теж можливо! Це довели в компанії EcoMotors, яку очолює Петер Хофбауер, колишній моторист концерну Volkswagen. У компанії розроблений двоциліндровий опозитний двигун, що перевершує за своєю потужністю і економічністю сучасні турбодизелі. Експериментальний зразок двигуна розвиває потужність 325 к.с., а крутний момент при 2100 об/хв становить 900 Нм. Легкий, компактний і потужний мотор наразі не запущений в серійне виробництво і знаходиться в стадії доопрацювання.
Незважаючи на ідеї і новинки, що постійно з'являються в світлих голових інженерів, найпоширенішим механізмом газорозподілу залишається старий-добрий розподільчий вал, який може змінюватися за формою, але залишається незмінним за суттю.
Про те, як вибрати новий розподільчий вал і на що звертати увагу при виборі, читайте наш "Гід покупця".