Гидрокомпенсаторы устройство и принцип работы

Для предотвращения поломок, ускоренного износа и ухудшения характеристик силовых агрегатов между некоторыми деталями работающего двигателя внутреннего сгорания на этапе проектирования создаются тепловые зазоры. По мере нагрева двигателя эти зазоры «выбираются» (поглощаются) за счет расширения деталей. Однако со временем детали изнашиваются, и нагрев становится недостаточным для поглощения зазоров, что сказывается на работе двигателя.

Расширение деталей внутреннего сгорания

В результате повышения температуры размеры деталей работающего двигателя внутреннего сгорания могут увеличиваться. Само по себе это не имеет особого значения.

Однако, поскольку двигатель состоит из различных материалов (чугун, сталь, алюминий) с различными коэффициентами теплового расширения, степень расширения каждой детали может быть неодинаковой. Эта проблема в определенной степени решается с помощью гидрокомпенсаторов.

Сложность обслуживания, облегчаемая гидрокомпенсаторами

Из-за изменения зазоров, вызванного износом деталей, в начале XX века была введена ручная регулировка клапанов с помощью обычных гаечных ключей. Это увеличивало сложность обслуживания и стоимость. Чтобы избежать этих проблем, были разработаны гидравлические компенсаторы (ГК), поглощающие тепловой зазор в механизме привода клапанов и любые несоответствия между рабочими поверхностями распределительного вала, коромысел, клапанов и штанг — независимо от температуры и износа деталей. Зазор может как увеличиваться, так и уменьшаться в зависимости от конструкции ГРМ и используемых материалов.

Во всех конструкциях ГРМ могут использоваться гидрокомпенсаторы

Независимо от конструкции механизма ГРМ — коромысла, рычаги, штанги, верхний или нижний распредвал — существует четыре вида гидрокомпенсаторов: гидротолкатели, гидроопоры, специально разработанные гидроопоры для рычагов и коромысел, а также роликовые гидротолкатели.

Гидравлический компенсатор в толкателе с верхним распределительным валом

Кулачок, расположенный на задней стороне толкателя, не передает на него никакого усилия. В результате пружина плунжера может свободно выталкивать плунжер из втулки, устанавливая необходимый зазор. Полость под плунжером заполняется маслом через шаровой клапан. Как только полость заполняется маслом, срабатывает шаровой клапан, и его пружина закрывает полость.

Поток масла: пояснение

Когда выпуклый профиль обращен к толкателю, кулачок заставляет его двигаться вниз. При этом гидравлический толкатель передает усилие на клапан как на неподвижный узел, поскольку обратный клапан находится в закрытом состоянии, и масло в герметичном внутреннем пространстве не сжимается. При движении вниз толкателя и плунжерной группы незначительное количество масла выталкивается через щели из камеры под плунжером. При этом длина гидрокомпенсатора несколько уменьшается, а между кулачком и толкателем образуется тепловой зазор. Вытекшее масло пополняется из системы смазки двигателя.

Влияние теплового расширения

Тепловое расширение компонентов клапанного устройства приводит к изменению объема «восстанавливающего» элемента смазки и длины гидрокомпенсатора. Это, соответственно, корректирует пространство, как от теплового роста материала, так и от обычного износа элементов газораспределительного механизма.

Надежные гидравлические толкатели

Для надежной работы гидравлических толкателей необходимо использовать смазочные материалы высокого качества, сохраняющие одинаковую вязкость при колебаниях температуры.

Размещение гидрокомпенсаторов

Гидрокомпенсаторы располагаются в коромысле, нижнем распредвале и опоре рычага привода клапанов. Компонентами компенсатора являются: кулачок (1), плунжер (2), втулка плунжера (3), полость под плунжером (4), пружина плунжера (5), пружина обратного клапана (6), стопорное кольцо (7), рычаг привода клапана (8), сливное отверстие (9). Конструкция гидрокомпенсатора подробно описана здесь.

Анализ гидравлического компенсатора

Устройство и работу гидрокомпенсатора мы рассмотрим на примере гидротолкателя, установленного в головке блока цилиндров. Все остальные разновидности этого компенсатора, несмотря на различия в конструкции, работают по одному и тому же принципу. Толкатель состоит из контейнера, в котором размещены подвижный плунжер и шаровой клапан. Этот контейнер может перемещаться относительно направляющего седла, установленного в головке блока цилиндров. Если ГК закреплен на рычагах привода клапанов, таких как коромысла или коромысла, то его подвижной частью является только плунжер, выступающий элемент которого выполнен в виде шаровой опоры или опорной подошвы.

Основной компонент GC: Плунжерная пара

Зазор между втулкой и плунжером составляет всего 5–8 мкм, что создает плотное соединение, сохраняя подвижность деталей. В нижней части плунжера находится отверстие для доступа масла, которое закрывается подпружиненным шаровым клапаном. Кроме того, между втулкой и плунжером расположена долговечная возвратная пружина.

Принцип работы гидрокомпенсаторов

Когда тыльная сторона кулачка распределительного вала прилегает к корпусу толкателя, внешнее напряжение отсутствует и между кулачком и корпусом образуется небольшой зазор. Возвратная пружина выталкивает плунжер до тех пор, пока этот зазор не исчезнет. Одновременно из системы смазки двигателя во внутреннюю полость плунжера через шариковый клапан и перепускной канал поступает масло, заполняя плунжер.

Трансформация

При вращении вала кулачок начинает давить на корпус толкателя и толкает его вниз, перекрывая масляные каналы — смазочную магистраль двигателя и перепускной канал. Одновременно закрывается шаровой кран, и давление масла под плунжером возрастает. Поскольку жидкость не способна сжиматься, плунжерный комплект начинает работать как жесткий подпор, передавая усилие кулачка на стержень клапана двигателя.

Результат перефразирования

Несмотря на минимальный зазор между плунжером и втулкой, через этот технологический зазор все равно просачивается ничтожное количество масла, вызывая опускание гидротолкателя на 10–50 мкм. Величина «просадки» зависит от частоты вращения коленчатого вала двигателя. Если частота вращения увеличивается, то время давления на корпус толкателя уменьшается, тем самым снижая величину утечки масла под плунжер.

Достоинства и недостатки

Включение ГРМ позволило отказаться от регулировки зазоров в клапанной системе, создав более мягкое действие, снизить ударные нагрузки, уменьшить износ деталей ГРМ, избавиться от лишнего шума двигателя. Кроме того, это позволило более точно соблюдать фазы ГРМ, что привело к повышению безопасности, мощности и топливной экономичности двигателя.

Неудовлетворительная работа холодного двигателя с простыми гидрокомпенсаторами

Работа простых гидрокомпенсаторов при запуске холодного двигателя часто оказывается неудовлетворительной. Это связано с минимальным давлением масла в системе смазки. Основными причинами этого являются загрязнения в масляных каналах двигателя, износ обратного клапана и плунжерной пары, а также неправильное использование масла. К неисправностям также приводят масляные фильтры, пропускающие нечистое масло через перепускной клапан.

Увеличение зазора в плунжерной паре приводит к утечке масла

При увеличении зазора между плунжерной парой увеличивается количество масла, вытекающего из камеры высокого давления. Это приводит к недостаточной «жесткости» гидрокомпенсатора, снижая эффективность передачи усилия кулачка на шток ГРМ. Аналогичная проблема возникает и при износе обратного клапана камеры высокого давления. Неисправности в системе смазки двигателя могут препятствовать заполнению ГЦ маслом, что приводит к невозможности поглощения зазоров в ГРМ.

Заполнение ГХ маслом

Внутренняя камера ГК должна быть заполнена маслом. Если масла нет или его количество недостаточно, то основная функция компенсатора — избавление от расхождений в работе элементов ГРМ — не будет выполняться. Это приведет к появлению рывков и стуков, которые вызовут быстрый износ элементов ГРМ и ухудшение работы двигателя. Кроме того, отсутствие масла увеличит вероятность попадания частиц изношенных деталей в ГЦ и заклинивания узла.

Избегание проблем

Для того чтобы избежать проблем, необходимо:

1. Следить и поддерживать внутреннюю чистоту двигателя — заменять масло и масляный фильтр в сроки, установленные производителем, с коэффициентом снижения 0,6–0,9, учитывая условия эксплуатации машины;

2. Промывать двигатель перед очередной заменой масла, используя медленно действующие промывки «на пробег». В случае загрязнения внутренних поверхностей двигателя (что обнаруживается, например, при снятии крышки ГРМ) не рекомендуется использовать быстродействующие промывочные средства, так как отделившиеся кусочки грязи с потоком масла могут попасть во внутренние отсеки компенсаторов и вывести их из строя.

Диагностика и замена гидрокомпенсаторов

При неисправности одного или нескольких ГК слышен стук, похожий на звук работы клапана. Этот звук хорошо проходит через металл, поэтому для определения неисправного гидрокомпенсатора используется фонендоскоп. Самодельный вариант этого прибора можно изготовить из стального стержня длиной около 700 мм и диаметром 5–6 мм. К одному концу стержня крепится пивная банка со срезанным верхом, а к его середине — деревянная ручка. Прижав ухо к банке и приложив свободный конец «фонендоскопа» к головке блока в районе каждого компенсатора, можно по усиленному звуку определить неисправный. Для проверки необходимо разобрать «подозрительный» ГК.

Удаление GC

Для снятия GC с седла можно использовать магнит. Если он застрял или заклинил, то следует использовать съемник, закрепив крюк на штоке. Некоторые гидрокомпенсаторы можно разобрать, чтобы проверить степень износа внутренних компонентов. При разборке необходимо соблюдать осторожность, чтобы не повредить поверхности сопряженных деталей.

Демонтаж гидравлических опор

После снятия стопорного кольца можно разобрать гидравлические опоры. Чтобы извлечь внутренние детали гидравлического толкателя, необходимо аккуратно постучать корпусом о металлическую поверхность. Затем загрязненный компенсатор следует промыть в растворителе, например в ацетоне. Необходимо осмотреть торцевую поверхность гидрокомпенсатора на предмет внешних повреждений, которые могут быть вызваны нагрузками, такими как выбоины, царапины, удары. Со временем на ней может даже образоваться впадина.

Другой способ проверки

Чтобы убедиться в исправности демонтированного ГЦ, можно воспользоваться простым, но эффективным способом: заполнить его маслом, а затем приложить некоторое усилие вручную. Если он не изменит своих размеров, значит, он неисправен и подлежит замене. Надежный ГК, сжатый зажимом, лишь слегка уменьшится в длине примерно через 20–30 секунд и будет оказывать сильное сопротивление.

Установка гидрокомпенсаторов

Для того чтобы ремень ГРМ с замененными гидрокомпенсаторами работал правильно, необходимо выполнить определенные процедуры:

1. Свежеизготовленные ГРМ поставляются с защитным маслом, которое не нужно удалять при настройке. При запуске двигателя это масло без проблем смешается с маслом системы смазки двигателя.

Установка ГК

Не нужно устанавливать в ГРМ незаполненные компенсаторы, сформированные после разборки и промывки. Перед установкой они должны быть заполнены маслом. Пренебрежение этим правилом может привести к значительным ударным нагрузкам, особенно в начале эксплуатации двигателя (когда система смазки «прокачана»).

После установки ГЦ на двигатель целесообразно 5–7 раз провернуть коленчатый вал за трещотку с помощью ключа и подождать 10–15 минут до первого запуска двигателя. Это необходимо для того, чтобы под давлением кулачков распределительного вала плунжерные комплекты нагруженных компенсаторов заняли рабочее положение.

Ремонт и замена ГК

При ремонте и замене ГЦ необходимо промыть масляную систему, заменить масляный фильтр и залить свежее масло в двигатель. Проворачивая коленчатый вал, можно визуально убедиться в движении масла по масляным каналам к крепежным гнездам (при снятых гидрокомпенсаторах).

При ремонте двигателя автомобиля с пробегом более 150–200 тыс. км целесообразно ставить новые гидрокомпенсаторы клапанных зазоров (обычно при таком пробеге они выходят из строя). Использование низкокачественных масел и пренебрежение сроками их замены может сократить срок службы ГЦ в два раза.

Необходимость замены гидрокомпенсаторов

При неисправности одного или нескольких гидрокомпенсаторов желательно заменить весь комплект, чтобы избежать необходимости переделки ГРМ. При определенных сценариях эксплуатации автомобиля (длительные периоды простоя, износ плунжерных пар ГЦ) гидрокомпенсаторы обычно теряют часть масла (высыхают). Это проявляется в виде стуков в приводе ГРМ прогретого двигателя.

Удаление воздуха из компенсаторов

Для удаления воздуха из компенсаторов необходимо в течение 2–3 минут прогнать двигатель на постоянных оборотах (2–2,5 тыс.). Затем переключите двигатель на переменные обороты 2–3 тыс. в течение еще 30–50 с, а затем на холостой ход на короткое время. Скорее всего, шум ГРМ исчезнет, но если он останется, то цикл необходимо повторить. Если это не помогло, необходимо найти неисправный ГЦ или причину его выхода из строя.