Газорозподі́льний механі́зм (ГРМ) або механі́зм газорозпо́ділу — механізм керування фазами газорозподілу двигуна внутрішнього згоряння (ДВЗ), що забезпечує своєчасне подавання в циліндри двигуна повітря або паливо-повітряної суміші (залежно від типу двигуна) і випускання з циліндрів відпрацьованих газів.
Класифікація За принципом здійснення своїх функцій ГРМ може бути реалізований наступними типами механізмів: клапанним, коли впуск і випуск визначається моментом і тривалістю відкриття клапанівЙдеться про конструкції клапанів тарілчастого типу (). Інші типи клапанів (золотникові, кранові тощо), що знаходили застосування у ранні періоди створення ДВЗ не розглядаються; гільзовим (система Найта), коли гільза циліндра у результаті свого ковзного поздовжнього або повертального руху відкриває-закриває впускні-випускні канали; поршневим (щілинним), у якому сам поршень відкриває і закриває вікна (щілини) до каналів впуску та випуску; комбінованим (поршнево-клапанним), коли суміш подається вікнами у циліндрі, а випуск робиться через клапани.
Клапанні механізми газорозподілу
Загальні принципи будови Клапанний механізм газорозподілу складається з розподільного (кулачкового) вала (одного або декількох) з механізмом урухомлення, тарілчастих клапанів для закривання-відкривання впускних і випускних отворів у камерах згоряння та передавальних ланок (штовхачів, штанг, коромисел, елементів регулювання, клапанних пружин, засобів провертання клапанів тощо).
Система урухомлення розподільного вала забезпечує його синхронне обертання з кутовою швидкістю удвічі меншою за швидкість обертання колінчастого вала. Для приведення у рух розподільного вала можуть використовуватись наступні механічні передачі: зубчаста, ланцюгова або зубчасто-пасова.
Класифікація клапанних ГРМ
Класифікаційними ознаками для конструкцій клапанних газорозподільних механізмів є розташування та кількість клапанів і розподільних валів.
За розташуванням розподільного вала виділяють конструкції двигунів внутрішнього згоряння (зазвичай чотиритактних): з розташуванням розподільного вала у блоці циліндрів (); з розташуванням розподільного вала у головці блоку циліндрів (); без розподільного вала.
За розташуванням клапанів двигуни бувають: верхньоклапанні, нижньоклапанні та конструкції зі змішаним розташуванням клапанів.
З врахуванням цих ознак клапанні механізми чотиритактних двигунів внутрішнього згоряння поділяються на низку підтипів.
Двигуни з розподільним валом у блоці циліндрів
Нижньоклапанні (тип SV) Нижньоклапанний двигун () — двигун, у якого розподільний вал і клапани тарілками вгору розташовані у блоці циліндрів збоку від циліндрів. Приведення у рух клапанів відбувається безпосередньо від розподільного вала, розташованого одразу під клапанами.
Переваги схеми — малий шум при роботі, простота виготовлення та обслуговування, відсутність небезпеки контакту клапанів і поршня при порушенні фаз газорозподілу. Усі деталі ГРМ розташовані всередині блоку циліндрів, що дозволяє отримати компактне компонування двигуна. Головка блоку нижньоклапанного мотора має вигляд простої металевої плити з камерою згоряння та каналами для охолоджувальної рідини, вона легко демонтується.
Головний недолік схеми — через складний шлях паливно-повітряної суміші суттєво погіршується наповнення циліндрів, як наслідок — досягається менша потужність у порівнянні з іншими конфігураціями, двигун розвиває невеликі оберти і має низький ККД. Довгі випускні канали сприяють перегріванню двигуна, а особливості конструкцій його камер згоряння не дозволяють збільшити (понад 1:8) ступінь стиску, що до появи систем турбонаддування було найефективнішим методом підвищення потужності. З цієї ж причини ця конструкція не може застосовуватись для дизельних двигунів.
Аж до 1950-х років завдяки своїй простоті і дешевизні двигуни з таким ГРМ були найпопулярнішими на легкових (за винятком спортивних) і вантажних автомобілях. Перші масові моделі з двигуном верхньоклапанного компонування з'явилися в Європі ще у 1930-х, а до 1950-х років, після появи в широкому доступі палива з вищим октановим числом, стало очевидно, що нижньоклапанна схема стримує розвиток автомобілебудування, заважаючи створенню досконаліших, динамічних і швидкісних автомобілів. У результаті в першій половині п'ятдесятих років на легкових автомобілях почалося масове впровадження верхньоклапанних двигунів, позбавлених властивих ніжньоклапанним схемам недоліків.
Різновидом нижньоклапанної схеми були двигуни з Т-подібною головкою (), що набули певного поширення у роки Другої світової війни. У них впускні клапани знаходились з одного боку блоку циліндрів, а випускні — з іншого. Розподільних валів було два. Мета конструкції — усунути перегрівання впускних клапанів. Це знижувало температуру паливно-повітряної суміші, що підвищувало її октанове число і зменшувало схильність до детонації. Ця ж ідея була покладена при використанні системи впорскування води у циліндри, яка охолоджувала суміш і знайшла використання у ті ж роки.
Двигуни зі змішаним розташуванням клапанів У двигуна зі змішаним розташуванням клапанів зазвичай впускні клапани розташовані у головці блока, як у верхньоклапанного мотора, і приводяться у дію за допомогою штанг-штовхачів, а випускні — в блоці, як у нижньоклапанного двигуна. Розподільний вал розташовується в блоці циліндрів як у звичайного нижньоклапанного двигуна.
Така схема має ту перевагу, що вона забезпечує потужність відчутно вищу ніж у класичного нижньоклапанного і розглядалась у відповідний період як варіант модернізації останніх. Виграш у потужності був значним — до 20…40 к. с. для двигунів з вихідною потужністю 35…90 к. с.
Такі двигуни широко використовувались фірмами «Rolls-Royce» та «Rover» завдяки їх високій надійності, як у порівнянні з нижньоклапанними так і у порівнянні з ранніми конструкціями верхньоклапанних двигунів (через меншу кількість штанг-штовхачів).
З появою надійних конструкцій верхньоклапанних двигунів, ця схема вийшла з ужитку (останній двигун випускався фірмою «Willys» у 1970-х роках.
Верхньоклапанні ГРМ з приводом клапанів штовхачами (тип OHV)
Дана конструкція ГРМ була винайдена Девідом Данбаром Б'юїком () на початку XX ст. У ній клапани розташовані у головці блока циліндрів, а розподільний вал — у блоці циліндрів (OHV — ; або , чи ). Привод клапанів здійснювався штангами-штовхачами через коромисла.
Перевага такої схеми — відносно проста конструкція і конструктивна надійність. Для урухомлення механізму, як правило, використовувався простий і надійний привід розподільного вала шестернями, що виключає саму можливість таких несправностей, як розрив ременя ГРМ чи «перескакування» ланцюга в механізмі з ланцюговим приводом.
Двигуни з ГРМ типу OHV відчутно компактніші в порівнянні з верхньовальними, через відсутність у головці блоку розподільного вала.
Істотним недоліком ГРМ типу OHV — велика інерційність такого механізму газорозподілу, що дещо обмежує безпечні максимальні оберти колінчастого вала двигуна і, отже, і літрову потужність (ступінь форсування). Спортивні двигуни з ГРМ типу OHV, наприклад — у машин, що беруть участь в гоночній серії NASCAR, можуть працювати і на 11000 об/хв, але для забезпечення цього потрібні спеціальні, досить дорогі конструктивні й технологічні рішення.
Крім того, така схема ускладнює використання більше двох клапанів на циліндр (двигуни з таким ГРМ при 4-х клапанах на циліндр, мають великі габарити і масу, що робить їх малопридатними для використання в легкових автомобілях, але вони є цілком прийнятними для вантажівок і важкої техніки — приклади тому двигуни КамАЗ, ЯМЗ, ТМЗ, дизельний двигун тепловоза ЧМЕ3 тощо) і ускладнює проектування впускних і випускних вікон в головці блока циліндрів з точки зору пропускної спроможності та опору потокові.
Двигуни цієї схеми зазвичай є тихохідними але мають гнучку моментну характеристику.
У світовій практиці легкового автомобілебудування такі двигуни були поширені з 1930-х (у США — з 1950-х) і до 1970-х років. Іноді такі двигуни використовувались до 1990-х років на недорогих автомобілях через свою дешевизну і компактність. Наприклад, Ford Ka першого покоління (1996—2002) використовував інжектовану версію чотирициліндрового двигуна Кент розробки кінця п'ятдесятих років з ГРМ типу OHV, який мав досить компактні за сучасними стандартами розміри, що дозволило вмістити двигун в невеликому моторному відсіку авто.
Схема OHV є популярною і на тихохідних чотиритактних двигунах для газонокосарок, бензинових електростанцій, мотоблоків. Сучасні тракторні двигуни також використовують дану схему.
Двигуни з розподільним валом в головці блока циліндрів (тип OHC)
Розподільні вали двигунів, виконані за схемами SOHC або DOHC, приводяться в рух зубчастим пасом або ланцюговою передачею. Найпоширенішим на легкових автомобілях є зубчастий пас. Перевага приводу зубчастим ременем — дешевизна та безшумність. Недоліки: у більшості двигунів обрив ременя викличе удар тарілок клапанів у днища поршнів. Щоб уникнути цього рекомендується строго дотримуватися встановленої періодичність заміни зубчастого ременя. Ресурс паса зазвичай становить від 50 до 150 тис. км. Пробігу авто.
Ланцюговий привод ГРМ є поширеним у верхньому ціновому сегменті легкових автомобілів, використовується в двигунах вантажних автомобілів. Ланцюг, зазвичай здвоєний, знаходиться в об'ємі двигуна, що омивається моторною оливою. Переваги: відсутність небезпеки раптового обриву, зношений ланцюг починає стукати, особливо на холодному двигуні, попереджаючи про необхідність заміни; більший ресурс — у 2-3 рази більший, ніж у зубчастого ременя; довговічність. Недоліки: велика вартість, шумність. Сильно зношений ланцюг може розтягуватися і перескакувати через декілька зубців зірочки — до катастрофічних для мотора наслідків це не приводить, але викликає зсув фаз газорозподілу і, відповідно, істотне порушення його роботи, яке не завжди відразу вірно діагностується при ремонті через схожість симптомів з іншими несправностями.
Тип SOHC
Двигун з одним розподільним валом і клапанами в головці блока циліндрів (SOHC скор. від ; також, ) у залежності від конфігурації механізму урухомлення клапанів поділяються на двигуни з:
приводом клапанів коромислами (Москвич-412, старі моделі BMW, Honda) — клапани розташовані з боків від розподільного вала (V-подібно), приводяться в рух насадженими на спільну вісь коромислами, одні кінці яких штовхаються кулачками вала, а інші приводять в рух стержні клапанів; приводом клапанів важелями (моделі від ВАЗ-2101 до ВАЗ-2107) — розподільний вал встановлюється над розташованими в ряд клапанами, урухомлює їх через важелі, що спираються на сферичні шарніри, штовхаючи їх кулачками у середній частині важелів. Недолік: підвищена шумність, високі навантаження у зоні контакту кулачка з важелем; приводом клапанів штовхачами (ВАЗ-2108) — простий механізм з мінімальною інерцією деталей, у якому розподільний вал розташований безпосередньо над клапанами, які спрямовані тарілками донизу, і переміщає їх через циліндричні штовхачі. Недолік: менша еластичність характеристик двигуна, складне регулювання клапанного проміжку.
Схема SOHC найбільше була поширена із середини 1960-х до 1980-х років. Окремі види двигунів («Renault Logan») випускались і пізніше.
Тип DOHC
DOHC (від ) — двигун з двома розподільними валами в головці блоку циліндрів.
При цьому існує два принципові різновиди цього механізму, що відрізняються кількістю клапанів.
DOHC з двома клапанами на циліндр. Ця схема є ускладненим різновидом звичайної схеми SOHC. В головці блока циліндрів розташовані два розподільних вали, один з яких урухомлює впускні клапани, другий — випускні. Ця схема мала застосування у 1960-х — 1970-х роках на високопотенційних двигунах таких автомобілів, як «Fiat 125», «Jaguar», «Alfa Romeo» тощо. Схема дозволяє значно збільшити частоту обертання колінчастого вала за рахунок зменшення його інерції і як наслідок, збільшити потужність двигуна.