Материалы про гидроавтоматику двигателей

Материалы про гидроавтоматику двигателей

Владислав Синица

Зная принцип действия гидрокомпенсаторов зазоров клапанов и гидронатяжителей цепи, нетрудно и далекому от конструирования человеку набросать схемку "своего" ГК. Впрочем, так поступают и недалекие от проектирования двигателей люди. Стоит всего лишь пролистать подшивки патентной литературы за последние двадцать лет (в основном зарубежные - у нас только недавно пришла мода на эти "излишества"), как вы сразу увидите, чего не имеет смысла производить. И не потому, что данные конструкции защищены патентом, просто большинство из них не работоспособны.

Техническому шпионажу всегда более тонко противостоит такого же свойства и дезинформация. Пустить конкурентов по ложному следу, чтобы они пустили на ветер (каламбур) денежки на разработку тупиковых идей - мечта любого президента автомобильного концерна. Ближайший пример тому - саабовский двигатель с качающимся блоком цилиндров и, может быть, изменяющейся степенью сжатия - с какой помпой все обставлено ради запудривания чужих мозгов. Как еще можно объяснить тот факт, что данный наддувный двигатель сравнивают с атмосферным того же объема?! Когда вазовцам надоест возится с роторным двигателем Ванкеля, им есть на что переключится...

Но наши спецы тоже не лыком шиты - копируют (извините, творчески развивают) конструкции, прошедшие проверку временем в именитых фирмах. Правда иногда технологи слегка "приглаживают" буржуйские витиеватости под наши “междометийные” условия, или сама девочка-копи.., т.е. разработчик указала не тот размер, мечтательно задумавшись о чем-то большем... Поэтому не удивляйтесь, если почти (!) мерседесовские гидрокомпенсаторы на наших "Нивах" будут стучать и выходить из строя. Доходит до абсурда: отечественные двигателисты патентуют скопированные (!!!) конструкции. В таком случае можем посоветовать им писать сценарии для "Аншлага" - меньше вреда.

Теперь немного классификации: гидрокомпенсаторы зазоров клапанов условно подразделяют на гидротолкатели (которые взаимодействуют непосредственно с кулачком распредвала и клапаном - размещаются между ними) и на гидроопоры рычагов клапана (которые, как явствует из названия, служат опорой и точкой качания рычага-рокера). Экзотические виды ГК - в штанговом приводе клапанов с нижним расположением распредвала (в основном на американских дизелях) и в рычагах-коромыслах, качающихся на оси (Мерседес, БМВ) - наши проектировщики, к счастью, пока не внедряют.

Практически все разновидности ГК используют подвод давления масла из системы смазки двигателя, хотя гидроопоры и ГК в штанговом приводе могут быть и автономными, абсолютно или частично (с капельным подводом масла из одноименного тумана). Гидроопоры могут быть также ввинчиваемые или вставляемые в лунки. Достоинства и недостатки каждого из подвидов будем разбирать на действующих примерах отечественных двигателей.

На волговских движках гидротолкатели (ГТ) появились из отечественных раньше всех. За основу взят один из мировых стандартов (поэтому при желании можно воспользоваться импортными) с наружным диаметром 35 мм. ВАЗ тоже решил не вы.._делятся и купил лицензию у фирмы INA на ГТ с наружным диаметром 30 мм. Кроме габаритов ГТ различаются еще внутренними мембранами для удержания объема масла. Гидротолкатели, выпускаемые пермским заводом ИНКАР для наших автозаводов, имеют самую "древнюю" конструкцию без дополнительной перегородки, снижающей вероятность подсоса воздуха плунжером при колебаниях масла внутри ГТ. На уменьшенных (30 мм) ГТ используют М-образную мембрану с боковой вертикальной подштамповкой для подвода масла - в этом случае заметно снижается масса гидротолкателя, что необходимо для возможности увеличения максимальных оборотов двигателя без зависания клапанов.

Однако даже дополнительная М-образная мембрана не поможет, если ГТ был неправильно заправлен маслом, точнее, в него попал воздух. Впрочем, растворенные в масле газы постепенно высвобождаются и заполняют ГТ, но это происходит в течении длительного срока. В обоих случаях ГТ начинает стучать во время запуска двигателя, особенно в холодное время года, пока газы обратно не растворятся в масле - температура и давление способствуют последнему. Отсюда вывод: ГТ периодически надо прокачивать, как тормоза, маслоподводящим отверстием вверх (ГТ - на боку), покачивая и постукивая корпус, чтобы удалить пузырьки воздуха. Отечественные ГТ легко разбираются, что упрощает ремонт и промывку (на ИНКАРе так восстанавливают порядка тысячи ГТ в месяц), а обратно собирать их (как и прокачивать) необходимо полностью погруженными в емкость с маслом (желательно жидкой “синтетики”), чтобы исключить попадание воздуха в замкнутый объем ГТ. И при установке следить за тем, чтобы масло не вытекало из ГТ.

Лучше всего было бы сделать несколько микроскопических отверстий (лазером) в верхней фаске ГТ, чтобы воздух имел возможность выхода без значительного падения давления масла. Для серийного производства это, наверное, слишком дорого, а у нас - литр жидкой "валюты" знакомому дяде Васе с оборонного предприятия. Отверстия можно прожигать электроэррозионным способом (что мы делали на опытных образцах), но этот процесс еще более медленный и дорогостоящий, к тому же отверстия меньше диаметра проволочки (порядка 0,1...0,15 мм) не получишь.

Эта же мера обеспечит хоть какую-то циркуляцию масла через ГТ, что уменьшит вероятность полимеризации молекул масла внутри ГТ с образованием сгустков и отложений. Но и здесь надо знать меру: со свежими порциями масла могут проникать и взвешенные продукты износа, которые впоследствии отрицательно скажутся на герметичности шарикового клапана. Отсюда основные рекомендации сводятся к использованию хороших масел (минимум полусинтетики и желательно одного производителя в течение всего срока эксплуатации авто) и отказ от нестойких присадок, разлагающихся с выделением газов. И не забывать с каждой заменой масла (делая это почаще) промывать двигатель специальными средствами!

Для гидрокомпенсаторов-гидроопор (ГО) рычага клапана ВАЗ-21214 проблемы воздушного пузыря и обновления масла внутри объема ГО отходят на второй план по сравнению с надежностью их фиксации в резьбовых лунках. Маслоподводящая рампа (вынужденный элемент в конструкции, не приспособленной изначально для ГК) поджимается к бобышкам головки блока самими ГО без всяких уплотнений. И это при том что момент затяжки ГО не превышает 2,5 кгс*м (23 Нм) из-за возможности заклинивания плунжеров ГО. Герметичность стыков (а значит, и давление в системе смазки двигателя и его ресурс) зиждется на точном соблюдении технологии обработки торцев бобышек. Ну-ну…

Слабый момент затяжки ГО без их контровки от выкручивания в совокупности с вибрациями должен и будет (!) приводить к их откручиванию, как это часто бывало с аналогичными “гермесовскими” при халатной фиксации ГО. В результате клапан ГРМ “зажимается” и начинает прогорать, а кулачок распредвала стачивается вплоть до однообразного цилиндра (есть прецеденты). Несколько тысяч машин, оснащенных данными устройствами, уже колесят по дорогам Отечества – скоро можно будет подводить статистику.

ГО для двигателя ВАЗ-21233 отличаются от “двести четырнадцатых” собратьев отсутствием резьбы и маслоподводящей рампы (выполнена проточкой в головке блока цилиндров). Для них основным “креш-фактором” является точность выполнения гнезд под ГО. На опытной головке блока автору довелось наблюдать зазор между ГО и лункой в несколько десятых долей миллиметра при допуске порядка четырех сотых! Успокаивает то, что надежды на постановку в производство этой головки блока также минимальные.

Следующим на очереди в оснащении ГО стоит газовский дизель ГАЗ-560 (Штейр). Пока еще действует запрет австрийцев на внесение изменений в конструкцию лицензионного двигателя, но дальновидные конструкторы с ГАЗа озаботились поиском оптимального решения для теперь уже своего детища. Таковым стала компоновочная схема ГО на основе одного из вариантов заявки на изобретение № 2001100448. Его особенности отражены в Формуле изобретения: частичная автономность с подводом масла из капельного тумана, выступание кромки плунжера над кромкой корпуса (что исключает заклинивание от попадания в этот зазор посторонних частиц), использование шарика в качестве шаровой опоры рокера и размещение стопорного кольца в средней части корпуса (до этого его устанавливали сверху). Благодаря этим новшествам получился надежный, технологичный, адаптированный к уже существующей головке блока дизеля гидрокомпенсатор. В скором времени на предприятии “АГРЕГАТ”, что в городе Сим Челябинской области, будут изготовлены первые опытные образцы ГО. Испытаниям и особенностям установки данных ГО будет посвящен отдельный материал.

Гидрокомпенсаторы для ГАЗ-560 (STEYR)

Картинка-сборка (рис. справа). Пружинка не показана. ГК вставляются вместо регулировочных болтов.

Что немцу хорошо, то русскому...

Типа про репку

Кто из нас в детстве не восторгался этой сельскохозяйственной новеллой? И наверняка, никто не искал в ней глубинного смысла, хотя пращур-сочинитель заложил в эту притчу ответы на извечные российские вопросы: "Кто виноват?" и "Что делать?". Вы перечитайте данное литературное произведение еще раз, более внимательно: какая великолепная организация производства, какая стройная вертикаль власти!

Если отбросить политику и оставить только техническую сторону процесса "тащения", то можно заметить, что бабка призвала на помощь не дочь или зятя (либо их вариации), а немощную внучку. Таким образом, прослеживается принцип необходимой достаточности, при которой бралось во внимание и глубина залегания корнеплода репки, и угол приложения силы к ботве (чтобы она, сочная и хрупкая, не обломилась), и состояние хлястика на телогрейке деда. А как последовательно снижалось приращение добавочного усилия - для пущей выразительности можно было бы ввести дополнительный персонаж: муравья или таракана, но тогда бы это пособие для менеджеров всех уровней выглядело бы как┘ сказка.

В самом деле, почему же, имея такой совершенный образец для подражания, отдельные отечественные разработчики ваяют "шедевры", под которыми можно размещать таблички: "Отбрось аналогии всякий, сюда смотрящий"? Неужели детство у них было настолько тяжелым, что из всех книжек они листали только "Сберегательные"? Впрочем, японцы давно подметили существенную разницу между рукотворными изделиями наших мастеров и детьми.

Сегодняшний наш обзор посвящен гидронатяжителям (ГН) цепи (ремня), предназначение которых заключается в автоматическом (без периодического ТО) поддержании цепи в натянутом положении. Жаль, что пока эта цель в полной мере недостижима для отечественных двигателистов. Основными виновниками низкой работоспособности ГН являются посторонние включения в масле, воздух и - само масло.

Солнце, воздух и вода наши лучшие - враги

Не секрет, что во время обкатки двигателя внутри него вместе с маслом циркулируют продукты износа и просто грязь, смываемая с деталей. Даже верхнеклапанный масляный фильтр пропускает частицы менее 10 мкм, у нижнеклапанного зимой этот предел и вовсе не ограничен. Так что гидронатяжитель может быть заклинен уже с первыми оборотами двигателя! Судя по отзывам владельцев "Волг" с новым 406-ым двигателем, печальные теоретические прогнозы хорошо согласуются с практикой. Иногда механизм натяжения цепи выходит из строя при статически работоспособном ГН - свою "лепту" в развитие автосервисного обслуживания стремятся внести воздух и масло.

Существует различные конструктивные уловки для минимизации вредного воздействия каждого из отрицательных факторов. Например, для снижения вероятности заклинивания от попадания неотфильтрованного мусора в зазор плунжерной пары ГН, кромки плунжера делают острыми (без снятия фаски), чтобы ими как ковшом экскаватора осадок сдвигался, а не проникал в зазор между корпусом и плунжером. Одновременно можно было бы увеличить сам зазор, но тогда ухудшится и герметичность области высокого давления.

С воздухом борются с помощью дополнительных дроссельных отверстий и каналов, но самым эффективным способом остается элементарная вертикальная установка ГН. В этом случае земное притяжение работает на нас, вытесняя воздух верх, из области высокого в область низкого давления, где он достаточно безвреден.

На двигателях ЗМЗ 406-й серии только верхний гидронатяжитель монтируется почти вертикально, поэтому и лучше справляется со своей задачей. Второй (нижний) ГН, как и вазовские гидронатяжители 21214 и 21233, расположен горизонтально, и за их работоспособность не может поручиться никто - налицо явный конструктивный просчет!

Воздух в область высокого давления ГН попадает, например, при сборке на автозаводе, т.к. гидронатяжители туда поступают "сухими". При запуске двигателя масло из системы смазки двигателя заполняет все пустоты, предварительно загнав воздух в область высокого давления. С нагревом двигателя повышается температура и воздуха, который (физика!) увеличивает свой объем и давление, вытесняя (как кукушонок) масло из области высокого давления. В результате у плунжера появляется свободный ход на величину исчезнувшего масла, а дополнительная порция масла из системы смазки двигателя не поступает - шариковый клапан, поджатый изнутри давлением воздуха, закрыт.

Биение цепи порядка 0,5 мм есть даже при использовании механических натяжителей, но в случае с гидравликой положение усугубляется тем, что кроме самих рывков цепи, на нее еще действует сила натяжения плунжера, достигающая 15 кгс! Из истории механических натяжителей известно, что перетяжка цепи (например, с помощью монтировки) приводит к быстрому износу башмака натяжителя и вытягиванию самой цепи. Динамические рывки с указанным усилием и прогрессирующее увеличение амплитуды колебаний (объема паразитного воздуха внутри ГК) довершают разгром.

Шаг вперед - два шага назад?.

Самое обидное для автовладельцев то, что годовой гарантийный срок данная конструкция скорее всего выдержит, а дальше - вы будете работать на сервисные службы завода. Вот только за рубежом малый ресурс цепи и механизма ее натяжения будет воспринят крайне отрицательно всеми, в том числе и влиятельными организациями по защите прав потребителей. Отзывы машин для замены деталей (на такой же брак!), штрафы, подпорченный имидж - известная "карусель" для наших заводов.

Отечественные автолюбители данную проблему (на вазовских машинах) будут решать просто: выдернут внешний маслопровод с тройником у датчика давления масла, нарастят механический натяжитель от ВАЗ-2101 (который уже используют "самоделкины" для волговского шестнадцатиклапанника) и установят его, благо, крепежные места идентичны. Эта же операция избавит собственников машин с модернизированным двигателем от возможных потеков масла (во время эксплуатации) и его "фонтана" в случае аварии (т.т.т. через левое плечо!). Однако не все так плохо: через некоторое время появится еще один вариант доработки двигателя, более рациональный - автономный механический натяжитель для всех марок автомобилей.

С устройством последнего мы ознакомим вас после получения охранной грамоты (патента), а пока несколько слов горемычным владельцам "НИВ" с гидронатяжителями цепи, не желающими прерывать гарантию вышеупомянутым образом. После обкатки (3 - 5 тыс км) гидронатяжитель лучше заменить (со сменой масла) на новый, заправленный маловязким маслом (0W30 или аналогичным) в вертикальном положении для удаления воздуха из области высокого давления. Использовать старый ГН можно (после разборки, промывки и дефектовки), но вряд ли кто будет этим заниматься. Устанавливать заполненный маслом ГН довольно сложно, требуется терпение и сноровка, зато будет больше уверенности в последующей работоспособности механизма натяжения цепи.

Экскриментируете, батенька?

Для снижения влияния воздуха и предотвращения его дальнейшего проникновения в область высокого давления ГН ставьте свою "НИВУ" (при остановках и стоянках) правым боком - по ходу движения - вверх. Это очень легко устроить, каждый раз немного наезжая на бордюр (или заранее приготовленный камень в гараже), а во время запуска двигателя - сделать несколько прегазовок до 3000 об/мин. Весь попавший в ГН воздух вы таким образом, наверное, и не удалите, зато будете знать, что сделали для этого все возможное.

Желающим составить другую половину участников ресурсного эксперимента предлагаем делать все наоборот. Тогда во время стоянки масло из компенсационного объема (области низкого давления) будет стекать в поддон двигателя, и воздух проникнет к маслозаборному отверстию клапана плунжера ГН. С первыми оборотами двигателя вместо недостающей порции масла (при остывании объем уменьшается) плунжер глотнет несколько миллилитров воздуха, и этот пузырек станет еще одним затворником в темнице под названием "область высокого давления плунжера ГК". Затем следует нагрев воздуха ® вытеснение масла ® биение плунжера ГН ® износ натяжного механизма и цепи ® подсос воздуха, и все заново. Максимальный пробег до износа башмака натяжителя при таком издевательстве над двигателем не должен превысить 20 тыс км. Кто меньше, господа?

Гидронатяжитель для мотора ВАЗ-21233 более совершенен, но головка блока под него слишком долго идет на конвейер (эдакий производственный "тихоход"). Подвод масла у данного ГН выполнен изнутри двигателя, т.е. отсутствует наружный трубопровод, а компенсационный объем постоянно заполнен маслом. В то же время этот ГН представляет собой застойную зону, в которой будут смешиваться масла при их периодических сменах. В случае необдуманных переборах с марками масел разных производителей в ГН могут происходить химические реакции с выпадением осадка и последующим заклиниванием плунжера ГК.

Большинство вышеприведенных рекомендаций применима и к 233-му гидронатяжителю, прибавляются повышенные требования к чистоте и вязкости первичной (заводской либо ремонтной) заправки маслом - циркуляции через ГН практически нет. И вообще, к маслу (его чистоте, вязкости и периодичности смены) отношение должно быть благоговейным. Однако, как уже было сказано, технология заводской сборки не оставляет шансов для долговременной работы гидронатяжителя.

В одной стране живем - и юмор должен быть одинаковым

Как ни странно, гидронатяжитель для двигателей ЗМЗ-406.10 со ступенчатым (пошаговым) перемещением плунжера - по конструкции самый современный из представленных - был раньше освоен и внедрен на конвейере. Плунжер у этого ГН оснащен стопорным кольцом, а в корпусе выполнены кольцевые проточки с разным наклоном стенок для направленного одностороннего выдвижения плунжера ГН. Обратный ход ограничен шириной кольцевой проточки и составляет (у ярославских ГН) порядка 2 мм. Таким образом, при попадании воздуха в область высокого давления данного ГН амплитуда колебаний не превысит этих 2 мм. Впрочем, и такие биения в массовом масштабе (миллионы циклов!) прогрызают в натяжном башмаке "колорадский каньон". А к причинам заклинивания ГН добавляются плохо обработанные заусенцы на стопорном кольце.

Одной из самых неуловимых и малоизученных неисправностей являются гармонические колебания плунжера в зависимости от упругости пружины и воздействующего давления масла. Из всего диапазона гармоник частот колебания цепи и пульсаций давления масла всегда найдется резонирующая частота, которая приведет к многократному увеличению амплитуды колебаний плунжера вазовских гидронатяжителей 21214 и 21233 (у "волговского" эта величина ограничена 2 мм). Противодействовать резонансу на ГН без проведения широкомасштабных исследовательских работ невозможно.

Надо думать, что со временем обратный ход (читай: амплитуду колебаний) сократят до приличествующих 0,5 мм, хотя технологически это выполнить достаточно сложно. Как и научатся бороться с заусенцами на стопорном кольце (уже прилаживают немецкий ГН, фирмы INA - других способов, наверное, нетlhe). Однако снизить вероятность выхода из строя по остальным причинам (посторонние частицы в масле, резонанс и т.д.) будет довольно сложно. Единственный выход - это оснащение двигателей автономным механическим натяжителем, о котором мы расскажем в следующий раз.

Список литературы

Для подготовки данной применялись материалы сети Интернет из общего доступа