Гидрокомпенсаторы устройство и принцип работы

Гидравлические компенсаторы предназначены для предотвращения поломок, ускоренного износа и снижения эффективности работы двигателя внутреннего сгорания из-за расширения его деталей при нагреве. Изначально в двигателе предусмотрены тепловые зазоры для компенсации расширения его деталей при нагреве, но по мере износа деталей тепловых зазоров становится недостаточно для их поглощения, что негативно сказывается на работе двигателя.

Расширение деталей в двигателе внутреннего сгорания

При повышении температуры размеры деталей, входящих в состав работающего двигателя внутреннего сгорания, увеличиваются. Само по себе это явление не является чем-то плохим. Тем не менее, поскольку двигатель состоит из деталей, изготовленных из различных материалов, таких как чугун, сталь и алюминий, каждый из которых имеет различные скорости теплового расширения, эти детали расширяются с разной скоростью. Частично эта проблема решается с помощью гидрокомпенсаторов.

Влияние теплового зазора в механизме привода клапана

Тепловой зазор в механизме привода клапанов оказывает существенное влияние на работу силового агрегата. В начале 1900-х годов в двигателе появилась система управления клапанами с помощью обычных гаечных ключей. Это вызывало необходимость периодической регулировки, что увеличивало сложность обслуживания и его стоимость. Решением этих проблем стали гидрокомпенсаторы (ГК). Они должны полностью поглощать зазор между поверхностями распределительного вала и коромысел, клапанов, штанг — независимо от температурного режима и степени износа деталей. Зазор в механизме привода клапанов может быть как увеличен, так и уменьшен в зависимости от конструкции ГРМ и применяемых материалов.

Газораспределительные механизмы

Гидрокомпенсаторы могут устанавливаться на все газораспределительные механизмы с коромыслами, рычагами, штангами и любой конфигурацией распределительного вала (верхнего или нижнего). Существует четыре основных разновидности гидрокомпенсаторов: гидротолкатели, гидроопоры, гидроопоры для установки в рычаги/коромысла и роликовые гидротолкатели; выбор зависит от конструкции ГРМ.

Функционирование гидрокомпенсатора

В гидрокомпенсаторе в толкателе с верхним распределительным валом используется кулачок, который, ориентируясь на толкатель обратной стороной, не передает на него усилие. При этом пружина плунжера выталкивает плунжер из гильзы, определяя тем самым необходимый зазор. Под плунжером образуется полость, в которую через шаровой клапан поступает масло. При заполнении полости маслом срабатывает шаровой клапан, который под действием своей пружины закрывает образовавшуюся полость.

Выпуклый профиль и толкатель

Когда выпуклый профиль представляется толкателю, кулачок под действием давления перемещает его вниз. При этом гидравлический толкатель воздействует на клапан как единый, негибкий узел, поскольку обратный клапан закрыт и масло в замкнутом пространстве не сжимается. По мере опускания плунжера и дуэта толкателей небольшая часть масла вытекает через зазоры из полости под плунжером. Это приводит к незначительному уменьшению длины гидрокомпенсатора, и между кулачком и толкателем образуется тепловой зазор. Вытекшее масло восполняется системой смазки двигателя.

Тепловое расширение деталей клапанного механизма

Тепловое расширение деталей клапанного механизма приводит к смещению количества «восстановительного» масла и длины гидрокомпенсатора. Таким образом, зазор быстро восстанавливается, независимо от теплового роста материала или обычной эрозии деталей механизма газораспределения. Надежность гидроприводов обеспечивается только при использовании высококачественного масла, сохраняющего практически неизменную вязкость при колебаниях температуры.

Расположение гидрокомпенсаторов

Местом установки гидрокомпенсаторов являются коромысла, нижний толкатель распределительного вала и опора рычага привода ГРМ. Схема конструкции приведена ниже: 1 — кулачок; 2 — плунжер; 3 — втулка плунжера; 4 — полость под плунжером; 5 — пружина плунжера; 6 — пружина обратного клапана; 7 — стопорное кольцо; 8 — рычаг привода клапана; 9 — сливное отверстие.

Рассмотрение гидравлического компенсатора

Мы рассмотрим гидрокомпенсатор и принцип его работы на примере гидравлического толкателя, установленного в головке блока цилиндров. Несмотря на различия в конструкции, другие типы гидрокомпенсаторов работают по тому же принципу. Внутри корпуса гидрокомпенсатора находится подвижный плунжер в паре с шаровым клапаном. Корпус регулируется относительно направляющего седла, установленного в головке блока цилиндров. Если ГК установлен на рычагах привода клапанов (например, на коромыслах или коромыслах), то его подвижной частью является только плунжер, выступающий конец которого выполнен в виде шаровой опоры или опорного башмака.

Плунжерная пара

В GC используется плунжерная пара; отверстие между втулкой и плунжером плотное, всего 5–8 мкм, что обеспечивает подвижность компонентов. В нижней части плунжера имеется щель для забора масла, закрываемая подпружиненным обратным шаровым клапаном. Кроме того, между втулкой и плунжером установлена жесткая возвратная пружина.

Работа гидрокомпенсаторов

Когда кулачок распределительного вала расположен тыльной стороной к корпусу толкателя, внешнее сжимающее усилие отсутствует и в зазоре между корпусом и кулачком находится кулачок холодного двигателя. Возвратная пружина выталкивает плунжер до тех пор, пока этот зазор не будет «выбран» — уменьшен практически до нуля. При этом масло из системы смазки двигателя через шаровой клапан и перепускной канал поступает внутрь плунжера и заполняет его.

Вращение вала приводит к воздействию кулачка на толкатель

При вращении вала кулачок начинает давить на корпус толкателя и сдвигает его вниз, перекрывая пути движения масла — систему смазки двигателя и перепускной канал. Одновременно с этим закрывается шаровой кран, и давление под плунжером повышается. Поскольку жидкость не является сжимаемой, плунжерная пара начинает выполнять роль жесткой опоры, передавая давление кулачка на шток клапана двигателя.

Неизбежная просадка

Несмотря на ничтожно малый зазор между плунжером и гильзой, небольшое количество масла все же просачивается через него. Это приводит к тому, что плунжер опускается на 10–50 мкм, что называется «просадкой». Величина этой просадки зависит от частоты вращения коленчатого вала двигателя. Увеличение этой частоты вращения уменьшает количество выходящего масла, поскольку сокращается время контакта плунжера с корпусом гидротолкателя.

Преимущества GC

Внедрение ГП открыло возможность отказаться от регулировки зазоров клапанов, что сделало работу более плавной; снизились ударные нагрузки, что уменьшило износ деталей ГРМ и устранило повышенный шум двигателя; кроме того, стал более точным контроль длительности фаз ГРМ, что в целом положительно сказалось на безопасности, производительности и топливной экономичности двигателя.

Низкая производительность холодных двигателей

Простые гидрокомпенсаторы имеют конструктивный недостаток — они плохо работают при запуске холодных двигателей, когда давление масла в системе смазки минимально или отсутствует. Основными причинами выхода из строя ГК являются загрязнение и износ его обратного клапана и плунжерной пары, выполненных с высокой точностью. К загрязнению может привести использование неправильного масла, пренебрежение сроками его замены или неисправный масляный фильтр, пропускающий загрязненное масло через перепускной клапан.

Потеря жесткости в гидрокомпенсаторе

Увеличение зазора между плунжерной парой может привести к увеличению утечки масла из камеры высокого давления. В результате гидрокомпенсатор теряет свою «жесткость», что снижает его способность передавать усилие кулачка на шток клапана ГРМ. То же самое может произойти при износе обратного клапана камеры высокого давления. Неисправности в системе смазки двигателя могут привести к задержке заполнения ГРМ маслом и препятствовать всасыванию зазоров ГРМ.

Заполнение внутреннего объема ГЦ

Внутренний объем ГЦ должен быть обязательно заполнен маслом. Если он будет пуст или заполнен частично, то не сможет выполнить свою основную задачу — устранить расхождения в фазах газораспределения. Это приведет к возникновению ударной нагрузки, которую можно определить по отчетливому стуку. Кроме того, это приведет к чрезмерному износу деталей ГРМ и ухудшению работы двигателя. Кроме того, частицы изношенных деталей могут попасть в ГЦ вместе с маслом, что приведет к его засорению.

Избежание проблем с двигателем

Чтобы избежать проблем с двигателем, необходимо:

1. Следить и поддерживать внутреннюю чистоту двигателя — менять масло и фильтр в сроки, установленные производителем автомобиля, с коэффициентом 0,6–0,9 с учетом эксплуатации машины;

2. Промыть двигатель перед очередной заменой масла, используя медленно действующие промывки «на пробег». Если внутренние поверхности двигателя нечистые (что наблюдается, например, при снятии крышки ГРМ), то использовать быстродействующие промывочные средства нецелесообразно, так как отделившиеся частицы грязи с потоком масла могут попасть во внутренние камеры компенсаторов и вывести их из строя.

Диагностика и замена гидрокомпенсаторов

При выходе из строя одного или нескольких ГК может быть слышен шум, напоминающий звук клапана. Этот звук хорошо отражается от металла, поэтому для определения неисправного гидрокомпенсатора используется фонендоскоп. Самодельный вариант фонендоскопа можно изготовить из стального стержня длиной 700 мм и диаметром 5–6 мм. Прикрепите один конец стержня к пивной банке со срезанным верхом, а посередине закрепите деревянную ручку. Приложите ухо к банке, а другой конец «фонендоскопа» поднесите к головке цилиндра возле каждого компенсатора. Неисправный можно определить по усиленному звуку. Затем следует снять и проверить «подозрительный» ГК.

Использование магнита для извлечения ГК из седла

Для извлечения ГК из седла можно использовать магнит. Однако если ГК кажется «застрявшим» или заклинившим, то его необходимо извлечь с помощью съемника, для чего предварительно необходимо приварить стержень с крючком.

Разборка гидрокомпенсаторов

В некоторых случаях возможна и разборка гидрокомпенсаторов. Это дает возможность оценить степень износа внутренних компонентов. При разборке необходимо соблюдать осторожность, чтобы не повредить поверхности сопрягаемых деталей.

Демонтаж гидравлических опор

Гидравлические опоры разбираются после отсоединения стопорного кольца. Внутренние компоненты гидравлического толкателя можно «вытряхнуть», слегка постучав корпусом по металлической поверхности. Загрязненный компенсатор погружается в ацетон или другой растворитель. Визуальная оценка позволяет выявить внешние повреждения торцевой поверхности гидрокомпенсатора, выдерживающей давление (выбоины, царапины или вмятины). В процессе эксплуатации на торцевой поверхности может даже образоваться впадина.

Другой подход к проверке GC после сборки заключается в том, чтобы надавить на него рукой. Если он не сжимается, то все в порядке; если же сжимается, то он неисправен и его необходимо заменить. После наложения зажима на исправный ГК он проявит значительное сопротивление и лишь через 20–30 секунд немного уменьшит свою длину.

Установка гидрокомпенсаторов

Для обеспечения оптимальной работы ремня ГРМ с гидрокомпенсаторами (при замене) необходимо соблюдать следующие правила:

1. При изготовлении новые ГК предварительно заполняются специальным консервационным маслом. Сливать его перед установкой не требуется. После запуска двигателя масло смешается с системой смазки двигателя без каких-либо негативных последствий.

Не нужно устанавливать пустые компенсаторы

Нет необходимости устанавливать пустые гидрокомпенсаторы в механизм ГРМ, если они были созданы при демонтаже и промывке. Перед этим их необходимо заполнить маслом. Несоблюдение этого правила может привести к значительным ударам, особенно при первом запуске двигателя (пока «прокачивается» система смазки).

Необходимые действия после установки ГК

После установки ГК на двигатель рекомендуется 5–7 раз провернуть коленчатый вал ключом с трещоткой и подождать 10–15 минут перед первым запуском двигателя. Это необходимо для того, чтобы плунжерные пары нагруженных компенсаторов заняли рабочее положение под давлением кулачков распределительного вала.

Процедуры технического обслуживания

При обслуживании и замене ГЦ необходимо промыть масляную систему, установить новый масляный фильтр и залить свежее масло в двигатель. При этом можно наблюдать за проходом масла к опорам (при снятых гидрокомпенсаторах), вращая коленчатый вал.

На автомобилях с пробегом более 150–200 тыс. км желательно заменить гидрокомпенсаторы клапанных зазоров (как правило, при таком пробеге они выходят из строя). Использование низкосортных масел и пренебрежение сроками их замены может сократить срок службы ГЦ вдвое.

Замена всего комплекта

В случае выхода из строя одного или нескольких гидрокомпенсаторов целесообразно заменить весь комплект, иначе в скором времени придется переделывать ГРМ для обслуживания.

Прокачка гидрокомпенсаторов

При некоторых условиях эксплуатации автомобиля (длительные перерывы в работе, износ плунжерных пар ГЦ) может произойти частичная потеря масла из гидрокомпенсаторов (высыхание). Об этом свидетельствуют стуки в механизме ГРМ на прогретом двигателе.

Удаление воздуха из компенсаторов

Начните процесс с того, что дайте двигателю поработать пару минут на постоянных оборотах в диапазоне от двух до двух с половиной тысяч. После этого увеличьте обороты до переменных от двух до трех тысяч в течение 30–50 секунд, а затем дайте ему поработать на холостом ходу. Если шум сохраняется, цикл следует повторить несколько раз. Если такие меры окажутся безрезультатными, следует искать неисправный ГЦ и устанавливать причину отказа.