0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Что такое верхнеклапанный двигатель и нижнеклапанный

Газораспределительный механизм

Газораспределительный механизм (ГРМ) — механизм управления фазами газораспределения двигателя внутреннего сгорания.

Состоит из распределительного вала — или нескольких валов — и механизмов привода к ним, клапанов, открывающих и закрывающих впускные и выпускные отверстия в камерах сгорания, и передаточных звеньев — толкателей, штанг, коромысел и некоторых вспомогательных деталей (регулировочных элементов, клапанных пружин, системы поворота клапанов и проч.)

Система привода распределительного вала в любом случае обеспечивает его вращение с угловой скоростью, равной 1/2 угловой скорости коленвала.

Содержание

  • 1 Классификация ГРМ
    • 1.1 Двигатели с распредвалом в блоке цилиндров
      • 1.1.1 Нижнеклапанные
      • 1.1.2 Со смешанным расположением клапанов
      • 1.1.3 Верхнеклапанные с приводом клапанов толкателями (тип OHV)
    • 1.2 Двигатели с распредвалом в головке цилиндров
      • 1.2.1 SOHC
      • 1.2.2 DOHC
    • 1.3 Десмодромный газораспределительный механизм
    • 1.4 ГРМ с изменяемыми фазами газораспределения
    • 1.5 ГРМ без распределительного вала
  • 2 Прочие системы газораспределения
    • 2.1 Гильзовая система газораспределения
  • 3 Примечания
  • 4 См. также
  • 5 Ссылки
  • 6 Литература

Классификация ГРМ [ править ]

Классифицирующими признаками для конструкции газораспределительного механизма являются расположение клапанов и распределительного вала.

По расположению клапанов выделяют двигатели:

  • Нижнеклапанные (с боковым расположением клапанов);
  • Верхнеклапанные (в старой литературе — «с подвесными клапанами»);
  • Со смешанным расположением клапанов.

По расположению распределительного вала выделяют двигатели:

  • С распредвалом, расположенным в блоке цилиндров (Cam-in-Block);
  • С распредвалом, расположенным в головке блока цилиндров (Cam-in-Head);
  • Без распределительного вала.

По этим признакам клапанные механизмы четырёхтактных двигателей внутреннего сгорания разделяются на целый ряд подтипов [1] .

Двигатели с распредвалом в блоке цилиндров [ править ]

Нижнеклапанные [ править ]

Нижнеклапанный двигатель (с боковым расположением клапанов, англ. L-Head, Flathead, SV — Side-Valve) — двигатель, у которого распредвал расположен в блоке и клапаны расположены также в блоке, в ряд сбоку от цилиндров, тарелками вверх. Привод непосредственно от расположенного под ними распредвала.

Плюсы схемы — малая шумность, простота в изготовлении и обслуживании, отсутствие опасности касания клапанов и поршня при неправильной установке угла распределительного вала. При наличии гидравлических толкателей клапанов или правильно выставленном клапанном зазоре нижнеклапанные двигатели работают на холостых оборотах почти совершенно бесшумно — отчётливо слышен только шум воздуха, обтекающего вентилятор системы охлаждения. Все детали ГРМ этого типа находятся внутри блока, что позволяет получить очень компактный двигатель. Распределительный вал находится в общем картере с коленвалом, что упрощает систему смазки и повышает безотказность, отсутствуют промежуточные передаточные звенья между кулачками распредвала и клапанами (коромысла, рокеры, рычаги и т. п.), нет необходимости в сложных уплотнениях стержней клапанов (маслосъёмные колпачки). Головка блока нижнеклапанного мотора представляет собой простую стальную или алюминиевую плиту с каналами для охлаждающей жидкости, она легко демонтируется, открывая удобный доступ к клапанам и поршням, что было весьма актуально в годы, когда поршни требовалось регулярно очищать от нагара, а клапаны — периодически притирать к сёдлам, для чего в их тарелках делались специальные шлицы для притирочной машинки.

Главный минус нижнеклапанной компоновки — из-за сложного пути бензовоздушной смеси значительно ухудшается наполнение цилиндров, в особенности на высоких оборотах, как следствие — достигается ощутимо меньшая удельная мощность по сравнению с остальными конфигурациями, двигатель получается тихоходным и неэкономичным. Камеры сгорания нижнеклапанного мотора имеют сложную форму и из-за этого как правило не подвергаются механической обработке, сохраняя шероховатую поверхность, полученную при отливке, что ещё больше снижает показатели двигателя и является причиной появления различий в объёме и характере работы камер сгорания одной головки. Длинные выпускные каналы способствуют перегреву нижнеклапанного двигателя. Необходимость обеспечить, с одной стороны, минимальное конструктивно обусловленное расстояние между осями цилиндра и распределительного вала, а с другой — необходимый зазор между тарелкой клапана и стенками камеры сгорания вынуждает конструкторов придавать камере сгорания сильно вытянутую форму и не даёт уменьшить её объём, а это, в свою очередь, не позволяет увеличить степень сжатия, что является наиболее простым и эффективным способом повышения удельной мощности, выше 7÷7,5:1 — при дальнейшем росте степени сжатия нижнеклапанный двигатель становится склонен к детонации (в незначительной степени этот недостаток может быть устранён наклоном осей клапанов относительно оси цилиндров, однако при этом растут габариты двигателя). По той же причине невозможно создание нижнеклапанного дизеля, поскольку в дизель-моторах необходимы степени сжатия порядка 19 и выше.

Вплоть до 1950-х годов благодаря своей простоте и дешевизне двигатели с таким ГРМ были наиболее распространены на легковых (за исключением спортивных) и грузовых автомобилях. Первые массовые модели с верхнеклапанными двигателями появились ещё в 1920-х годах, однако в те годы нижнеклапанные моторы конкурировали с ними практически на равных. Лишь к 1950-м годам, после появления в широком доступе топлива с более высокими октановыми числами, стало очевидно, что нижнеклапанная схема сдерживает развитие автомобилестроения, мешая созданию более совершенных, динамичных и скоростных автомобилей, соответствующих изменившимся условиям дорожного движения. В результате в первой половине 1950-х годов на легковых автомобилях началось массовое внедрение верхнеклапанных двигателей, лишённых присущих нижнеклапанной схеме недостатков. На отдельных моделях легковых автомобилей, впрочем, нижнеклапанные двигатели продержались до начала 1960-х годов (Plymouth, Studebaker, Rambler, Simca Vedette, ЗИМ ГАЗ-12), а на грузовых автомобилях эта схема вообще использовалась вплоть до семидесятых годов, если не дольше — например, грузовик ГАЗ-52 с нижнеклапанным мотором выпускался до 1990-х годов. В спецтехнике нижнеклапанные двигатели широко используются и в наши дни.

Разновидностью схемы были имевшие некоторое распространение до Второй мировой войны двигатели с Т-образной головкой (T-head в англоязычной литературе). В них впускные клапаны находились с одной стороны блока цилиндров, а выпускные — с другой. Распределительных валов также было два. Цель конструкции — устранить перегрев впускных клапанов. Дело в том, что низкооктановый бензин, доступный в начале XX века, отличался высокой склонностью к детонации, что делало применение этой схемы в какой-то мере выгодным — более холодная бензовоздушная смесь имеет несколько более высокое октановое число (на этом же принципе работал впрыск воды в цилиндры, охлаждавшей рабочую смесь — конструкция, также имевшая хождение в те годы). Такими двигателями, в числе прочих, оснащались и первые «Руссо-Балты».

Двигатель получался громоздким, дорогим, поэтому схема распространения не получила.

Со смешанным расположением клапанов [ править ]

Также встречается обозначение — F-Head. У такого двигателя обычно впускные клапаны находятся в головке блока, как у верхнеклапанного мотора, и приводятся в действие при помощи штанг-толкателей, а выпускные — в блоке, как у нижнеклапанного двигателя. Распределительный вал был один и был расположен в блоке, как у обычного нижнеклапанного мотора.

Эта схема обладает тем преимуществом, что её мощность ощутимо выше, чем у «чистого» нижнеклапанного. Как правило, такие двигатели переделывались из нижнеклапанных в качестве меры текущей модернизации.

Подобные «полуверхнеклапанные» переделки существовали и в СССР — это были спортивные двигатели на базе агрегатов автомобилей «Москвич», «Победа» и ЗИМ. Выигрыш в мощности, в сочетании с иными мерами форсировки, был значительным — до 20…40 л.с., при исходной мощности самих указанных двигателей в 35, 50 и 90 л.с., соответственно.

Такие двигатели широко применялись фирмами Rolls-Royce и Rover благодаря их высокой надёжности как по сравнению с нижнеклапанными (из-за хорошего охлаждения верхних клапанов), так и по сравнению с ранними верхнеклапанными двигателями (из-за вдвое меньшего числа штанг-толкателей).

С широким распространением «настоящих» верхнеклапанных двигателей, эта схема почти полностью вышла из употребления. Тем не менее, последний такой двигатель был выпущен фирмой «Willys» в 1970-х годах.

Верхнеклапанные с приводом клапанов толкателями (тип OHV) [ править ]

Данная конструкция ГРМ была изобретена Дэйвидом Данбаром Бьюиком (David Dunbar Buick) в самом начале XX века. У этих двигателей клапаны расположены в головке цилиндров, а распредвал — в блоке (англоязычное обозначение — OHV«OverHead Valve»; также встречается I-Head, или Pushrod, то есть, «с толкателями»). Привод клапанов — штангами-толкателями через коромысла.

Плюс такой схемы — относительно простая конструкция и обеспечиваемая ей конструктивная надёжность — в частности, как правило используется простой и надёжный привод распределительного вала шестернями, что исключает саму возможность таких неисправностей, как разрыв ремня ГРМ или «перескакивание» цепи в механизме с цепным приводом. Эксплуатационные нагрузки на детали ГРМ также оказываются сравнительно невысокими, чем обеспечивается высокая долговечность.

Многие двигатели с ГРМ типа OHV ощутимо более компактны по сравнению с верхневальными, так как у них отсутствует расположенный сверху в головке блока распределительный вал, что особенно актуально для двигателей без оси коромысел, у которых коромысла опираются на шаровые пальцы; для рядных двигателей это в особенности касается габарита по высоте, а для V-образных — и высоты, и габаритной ширины.

Существенный минус ГРМ типа OHV по современным меркам — большая инерционность такого механизма газораспределения, что несколько ограничивает безопасные максимальные обороты коленчатого вала двигателя и, следовательно, развиваемые двигателем крутящий момент и литровую мощность (степень форсирования). Спортивные двигатели с ГРМ типа OHV, например — у машин, участвующих в гоночной серии NASCAR, могут работать и на 11 000 оборотах в минуту, но для обеспечения этого требуются специальные, достаточно дорогостоящие конструктивные и технологические решения (впрочем, это касается любых специализированных гоночных агрегатов).

Читать еще:  Характеристики двигателя уаз карбюратор

Кроме того, такая схема затрудняет использование более двух клапанов на цилиндр (двигатели с таким ГРМ, имеющие 4 клапана на цилиндр, имеют большие габариты и массу, что делает их малоприменимыми в легковых автомобилях, но вполне приемлемыми для грузовиков и тяжёлой техники — примеры тому двигатели КамАЗ, ЯМЗ, ТМЗ, дизель тепловоза ЧМЭ3 и многие другие) и усложняет проектирование впускных и выпускных окон в головке цилиндров с высокоэффективной с точки зрения пропускной способности и сопротивления потоку конфигурацией.

Двигатели этой схемы, как правило, сравнительно низкооборотные и относительно тихоходные, но с гибкой моментной характеристикой. Если не используются гидравлические толкатели, такой двигатель будет одним из наиболее шумных по сравнению с остальными схемами.

В СССР первым массовым верхнеклапанным мотором стал двигатель «Волги» ГАЗ-21 (малосерийные НАМИ-1 и ЗИС-101 имели такой ГРМ уже в 1920-х — 30-х годах). Из советских автомобилей такой механизм газораспределения имели «Волга» (все массовые карбюраторные модели), «Москвичи» семейств М-407, М-408 и М-2138, а также грузовики с карбюраторными двигателями конфигурации V8 (ЗИЛ, ГАЗ).

В мировой практике легкового автомобилестроения такие двигатели достаточно широко использовались ещё с 1910-х — 1920-х годов, однако вплоть до появления в первой половине 1950-х годов высокооктанового топлива в широком доступе не могли достичь решительного превосходства над нижнеклапанными, так как при сравнимой мощностной отдаче последние имели преимущества в отношении простоты конструкции и дешевизны производства. Повсеместное распространение верхнеклапанных моторов началось после появления в 1949 году двигателя Oldsmobile Rocket V8 со степенью сжатия, рассчитанной на высокооктановое топливо, спровоцировавшего в американской автомобильной промышленности «гонку лошадиных сил», не утихавшую вплоть до первой половины 1970-х. Вплоть до конца 1960-х, а в США — и до середины 1980-х годов, двигатели с таким ГРМ были наиболее распространены, но впоследствии их популярность стала резко снижаться из-за распространения верхневальных моторов, и к настоящему времени они производятся практически только в США. Там даже разрабатываются принципиально новые конструкции двигателей с таким типом ГРМ — например, выпускающийся с 2003 года Chrysler 5.7 L Hemi (Dodge Ram, Dodge Charger R/T, Jeep Grand Cherokee, Chrysler 300C), использующий технологию динамически изменяемого рабочего объёма и динамического изменения фаз газораспределения.

Иногда такие двигатели используются и на недорогих современных европейских автомобилях из-за своей дешевизны и компактности. Например, Ford Ka первого поколения (1996—2002) использовал инжектированную версию четырёхцилиндрового двигателя Kent разработки конца пятидесятых годов с ГРМ типа OHV, имеющую весьма компактные по современным стандартам размеры, что позволило уместить двигатель в небольшом моторном отсеке Ka.

В моторах грузовиков и тяжёлой техники ГРМ типа OHV всё ещё очень широко распространён. Схема OHV популярна и на малооборотистых четырёхтактных двигателях для газонокосилок, бензиновых электростанций, мотоблоков. Современные тракторные двигатели также имеют указанную схему.

Верхневальные и нижневальные автомобильные двигатели. Сравнение. Нижневальный двигатель

Верхневальные и нижневальные автомобильные двигатели. Сравнение.

Многие задаются вопросом, какие двигатели лучше, верхневальные или нижневальные? В этой статье описываются их плюсы и минусы.

Как устроены двигатели?

Нижневальный двигатель. Распределительный вал расположен внизу блока цилиндров, и связан с коленчатым валом двумя шестернями. Соотношение тут такое же, как и у верхневальных, 1:2, поэтому распределительный вал вращается со скоростью в два раза меньшей, чем коленчатый. Распределительный вал двигает штанги толкателей клапанов, а те в свою очередь двигают клапаны.

Верхневальный двигатель. Распределительный вал расположен сверху, в головке блока цилиндров. Приводится в действие цепью или ремнем. Распределительный вал напрямую двигает толкатели клапанов. При использовании двух распределительных валов каждый цилиндр получает не два, а четыре клапана, что увеличивает скорость наполнения и освобождения цилиндров, а значит, уменьшает потери мощности. Толкатели клапанов легче, поэтому могут работать на более высоких скоростях, что так же увеличивает мощность двигателя.

Сравнение двигателей.

Нижневальные двигатели заметно проще т дешевле в изготовлении, чем верхневальные. Распределительный вал в таких моторах смазывается заметно лучше, чем в верхневальных, потому что расположен низко, чуть-чуть выше коленчатого вала. Отличаются невысокой удельной мощностью, поэтому увеличение мощности доступно только через увеличение объема. Вызвано это тем, что тяжелые толкатели клапанов вместе с длинными тягами толкателей клапанов, обладают большой инерционностью. Тем не менее, нижневальные двигатели до сих пор устанавливаются на мощные американские пикапы и некоторые модели УАЗ, а так же на популярный автомобиль Рено Логан.

Знаменитый спортивный автомобиль Додж Вайпер, с объемом двигателя больше восьми литров, тоже оснащен нижневальным двигателем. Многие автомобили Бугатти так же оснащены нижневальными моторами. Серьезный плюс нижневального двигателя – большая надежность газораспределительного механизма. В нем нет ремня или цепи, которые могут порваться, а всего лишь две шестеренки. Когда шестеренки сделаны качественно, их ресурс достигает полумиллиона километров, в отличие от ресурса в 40-50 тысяч для ремней или 150 тысяч для цепей. Использование более чем двух клапанов на цилиндр в нижневальных двигателях невозможно. Слишком сложной и тяжелой получается конструкция.

Второй ощутимый плюс – такие двигатели устроены заметно проще, чем верхневальные, поэтому легче и проще в ремонте.Тем не менее, нижневальные двигатели являются тупиковой ветвью эволюции автомобильного двигателя.Верхневальные двигатели, в отличие от нижневальных, развиваются семимильными шагами. Мощность в них повышается как увеличением хода поршня, так и увеличением максимальных оборотов. Поэтому сегодня набирают популярность малообъемные двигатели повышенной мощности. К примеру, Ауди удалось сделать двигатель объемом 1,8 литра и мощностью 480 лошадиных сил. Этот двигатель применяется в гонках Формула-2.

Верхневальные двигатели обладают большей удельной мощностью, а значит и больше экономичностью. Они имеют огромный потенциал дальнейшего развития, поэтому все серьезные производители легковых автомобилей перешли на верхневальные двигатели.

Немногочисленные плюсы нижневальных двигателей уступают перед огромным потенциалом развития верхневальных моторов. Время нижневальных двигателей безвозвратно уходит.

Верхнеклапанный нижневальный двигатель

В англоязычной терминологии такой механизм ГРМ получил название OHV (OverHead Valve – «клапаны в головке блока»), а также I-Head и Pushrod (то есть «со штангами-толкателями»). К 60-м годам стало окончательно понятно, что клапаны должны быть в верхней части цилиндра. Тем не менее, не все были готовы экспериментировать с ремнями или цепями ГРМ, поэтому сначала появилась комбинированная схема газораспределительного механизма: верхнеклапанная нижневальная.

Расположение клапанов сверху, то есть в головке блока цилиндров, позволило оптимизировать размер камеры сгорания, экспериментировать с ее формой и сократить потери воздуха. Как следствие – мощность при том же объеме выросла как минимум на 25%. Тем не менее, в качестве переходной схемы использовался вариант, когда распредвалы оставались снизу и приводили клапаны в движение с помощью системы из толкателя, штанги и коромысла. Главная проблема нижневальных верхнеклапанных двигателей – потери мощности при передаче усилия через штанги и коромысла. Штанги приходилось делать достаточно толстыми и крепкими, чтобы они выдерживали нагрузку и не гнулись. А слишком большой их вес «съедал» мощность, снижая эффективность работы двигателя. Дальше конструкторская мысль пошла двумя путями: появились средневальные и верхневальные моторы. Тем не менее, нижневальные верхнеклапанные двигатели до сих пор в ходу. Некоторые считают их более надежными или даже «неубиваемыми» благодаря шестеренчатой передаче ГРМ. Шестерни действительно работают весь срок службы двигателя. Кроме того, если распредвал расположен внизу, то головка блока получается весьма компактной. Также нижнее положение распредвала уменьшает вибрации от работы, так как чем выше вращающаяся деталь, тем сильнее она раскачивает всю конструкцию.

На видео ниже наглядно показана разница между нижневальным нижнеклапанным (в первом случае) и нижневальным верхнеклапанным (во втором случае) моторами.

В отечественном автопроме верхнеклапанные нижневальные двигатели встречаются на ГАЗ-24, Москвич-408 и УАЗ-469 (двигатели ЗМЗ-402 и УМЗ-4178). Современные модели ГАЗ и УАЗ уже оснащаются верхневальными моторами. А вот в США до сих пор выпускаются нижневальные двигатели – в частности Chevrolet Corvette, Chevrolet Silverado и GMC Sierra 2013 модельного года получили мотор V8 объемом 6,2 литра, где на все восемь цилиндров – один распредвал, который находится внизу, в развале цилиндров. Такая же схема применяется на двигателе Hemi V8 6.4, которым оснащается современный Jeep Grand Cherokee SRT.

Быстроходные клапаны. Схемы газораспределительных механизмов

Для четырехтактных автомобильных двигателей на протяжении всей их истории развития устройство клапанного механизма имело решающее значение. Расположение и число клапанов, система привода тесно связаны с формой камеры сгорания и каналов. Следовательно, от выбора конструкции этого механизма зависит, каким будут наполнение цилиндров, число оборотов двигателя, его мощность.

То или иное строение привода клапанов далеко не всегда диктуется только желаниями конструктора. Прямо или косвенно на него влияют технолог (производственные возможности изготовления выбранного варианта), экономист (оценка масштабов и дороговизны производства), потребитель (технические параметры, удобство эксплуатации). Однако право начать первым, естественно, за конструктором. Люди этой профессии всегда стремились получить наивысшую отдачу, в частности, как можно большую мощность, а она в значительной степени зависит от быстроходности двигателя.

Читать еще:  Что такое поршень цилиндра двигателя

2. Двустороннее (справа и слева от блока цилиндров) расположение клапанов — так называемая Т-образная схема («Руссо-Балт С24-30 1911 года).

Первые автомобильные моторы К. Бенца и Г. Даймлера развивали максимальную мощность при 300—600 об/мин. Применявшийся на них газораспределительный механизм состоял из нижнего выпускного клапана и верхнего впускного. Привод выпускного был механическим (кулачок и толкатель), впускной — действовал «автоматически». Когда поршень шел вниз и разрежение в цилиндре достигало максимума, оно преодолевало сопротивление слабенькой пружины, державшей клапан в закрытом положении, и начинался такт впуска. И, естественно, не было никакого опережения открытия впускного клапана (по отношению к ВМТ).

Мотор с клапанным механизмом по схеме 1 (см. иллюстрации) редко давал более 1000 об/мин. Неудивительно, что уже к 1904 году такие двигатели почти перестали строить.

3. Типичный нижнеклапанный двигатель (ГАЗ-А 1932 года). Эта конструкция распределительного механизма получила интернациональное обозначение SV.

Конструкция с обоими нижними клапанами (схемы 2 и 3) нашла широкое распространение потому, что цепь сопряженных деталей (кулачок—толкатель—клапан) получалась короткой. Инерция ее невелика, и такой механизм безболезненно выдерживает (как позже показала практика 30-х и 40-х годов) до 5000 об/мин. В первые же два десятилетия нашего века эта схема обеспечивала надежную работу на принятых тогда более скромных режимах — до 2500 об/мин. Искусством добиться высокого качества клапанных пружин в те далекие годы владели не все заводы. А при нижнеклапанной схеме в случае поломки пружины клапан не падал в цилиндр и не устраивал там погром. Он всегда возвращался в седло, как только кулачок переставал давить снизу; мотор издавал бормочущие звуки, но работал — тоже привлекательное качество.

Не сразу технологи научились делать хорошие отливки для картера двигателя по схеме 3, задуманной конструкторами, где все клапаны сгруппированы с одной стороны блока цилиндров. Поэтому на первых порах предпочтение получили более простые и более дешевые отливки блоков по схеме 2. Рассматривая сегодня обе эти схемы, можно удивляться, какой извилистый путь проходила смесь, пока из карбюратора добиралась до цилиндров. Разумеется, их наполнение и мощностные показатели при схемах 2 и 3 оставляли желать лучшего. Невыгодной была и форма камеры сгорания — с очень большой поверхностью рассеивания тепла, а точнее сказать, с большими потерями его.

4. Смешанная схема с верхним впускным клапаном и нижним выпускным («Ровер» 50-х годов). Как и первую схему, ее сокращенно обозначают IOE.

Конструкторы, стремясь устранить эти недостатки, применили схему 4, которая по существу явилась усовершенствованным вариантом схемы 1. Такое компромиссное решение несколько улучшило наполнение цилиндров горючей смесью. По сравнению со схемой 1 оно давало все же небольшой прирост в быстроходности. Применение механического привода впускного клапана сопровождалось и приростом мощности в 10—15%.

Следующий шаг — клапаны, расположенные в головке (схема 5) с приводом в виде толкающих штанг. Этот вариант обеспечивал хорошее наполнение цилиндров и позволял (судя по опыту форсировки таких двигателей) достигать даже 6500—7000 об/мин. Кроме того, верхнеклапанная конструкция давала ощутимое упрощение отливки блока цилиндров (нет сложных приливов под каналы в его боковой части), но в то же время несколько усложняла головку.

5. Двигатель с верхними, то есть расположенными в головке, клапанами, приводимыми посредством толкающих штанг («Опель-кадетт» 1973 года).

Двигатели, выполненные по схеме 5, появившиеся в самом начале XX века, оказались более шумными: в них больше движущихся деталей, контактирующих между собой, и потому потребитель не очень жаловал их. На их репутации сказались и разрушительные последствия, которые влекло падение клапана в цилиндр при поломке пружины. Однако постоянное совершенствование методов производства, материалов и их термообработки свело все минусы на нет. И тогда, в конце 30-х годов обозначился плюс: большая быстроходность и выигрыш в мощности (на 25—30%) по сравнению с двигателем схемы 3. В это же время конструкторы стали отдавать должное и схеме 6. Расположенные под углом клапаны, хотя и приводятся толкающими штангами (то есть выигрыша в быстроходности по сравнению со схемой 5 тут нет), позволяют придать камере сгорания полусферическую форму. В сочетании с впускными и выпускными каналами выгодной формы она обеспечивает очень хорошее наполнение цилиндров смесью и, следовательно, высокую мощность. Однако экономичность в этом случае получалась всегда хуже (из-за формы камеры сгорания), чем при схеме 5.

6. Разновидность пятой схемы («Татра-план-600» 1952 года). Здесь клапаны размещены под углом один к другому. Обе конструкции получили индекс OHV. 7. Конструкция с валом в головке и V образным расположением клапанов, на которые кулачки действуют через коромысла («Москвич-412» 1967 года).

Для схем 5 и 6 дальнейший путь повышения быстроходности — уменьшение инерции движущихся деталей в клапанном приводе. При высоких оборотах силы инерции оказывают значительное сопротивление пружинам, вызывают упругие деформации штанг и коромысел. В итоге при достижении определенного, предельного числа оборотов теряется механический контакт между деталями привода, наступают сбои в работе мотора, падает мощность.

Облегчение штанг и коромысел не всегда самый дешевый (опять вмешивается экономика!) и удобный для массового производства (технология!) способ. В 50—60-е годы у отдельных моделей распределительный вал был заметно поднят относительно коленчатого вала. Для привода уже служили не шестерни, а цепная передача. Таким образом, штанги стали заметно короче, их инерция ощутимо меньше, и двигатели, выполненные по схемам 5 и 6, могли в обычном, серийном исполнении развивать 4000—5000 об/мин, а в форсированных вариантах без осложнений выдерживать 8000—8500 об/мин.

8. Распределительный вал в головке цилиндров и клапаны, стоящие в ряд («Опель-рекорд» 1972 года). Все эти схемы (рис. 7 и 8) обозначают ОНС или SOHC.

Следующий логический шаг — поднять распределительный вал так высоко, чтобы вообще исключить толкающие штанги, то есть поместить его в головку двигателя (схемы 7 и 8). Потолок допустимых чисел оборотов тут еще выше — для серийных моторов 6000—6500 об/мин, а для гоночных — 9000—10000 об/мин. Вариация на тему OHC, но с V-образным расположением клапанов представлена на схеме 7, а более простой вариант привода, называемого OHC, показан на схеме 8, когда клапаны расположены в один ряд. Кулачковый вал может действовать на них непосредственно, как на модели «Альфа-ромео альфасуд», либо через одноплечие рычаги, как на «Жигулях», либо через коромысла, как на «Опель-рекорд».

И наконец, «высшую форму» клапанного механизма иллюстрирует схема 9. Она родилась давно. Ее отцом был швейцарец Э. Анри, который ввел два распределительных вала в головке цилиндров еще в 1912 году, благодаря чему сразу же получил 2200 об/мин Эта схема нашла широчайшее применение на гоночных моторах, а за последние 10 лет получила распространение и на серийных двигателях легковых машин. Первые сегодня вышли на рубеж 12 000 об/мин и даже превысили его, вторые уже освоили 6000 и 7000 об/мин. Переход от схем OHV к ОНС и 2ОНС означал прирост в мощности в среднем на 25—30%.

9. Два распределительных вала в головне цилиндров (ФИАТ-132 1974 года). Для всех разновидностей такой схемы свойствен «шифр» 2ОНС или DOHC.

Погоня за быстроходностью, идущая на протяжении всей истории автомобильного двигателя, заметно изменила его облик. Схемы 1 и 2 давно стали музейным достоянием, схемы 3 и 4 еще можно встретить на машинах прежних выпусков, и даже на двигателях грузовиков они почти изжили себя. За последнее время заметно сократилось число легковых моделей с клапанным механизмом типа OHV (схемы 5 и 6) и широкое распространение получили моторы с одним или двумя распределительными валами в головке цилиндров. Это и неудивительно. За девяносто с лишним лет серийный автомобильный двигатель стал в пятнадцать раз быстроходней.

Что такое верхнеклапанный двигатель и нижнеклапанный

В зависимости от вида топлива и особенностей конструкции поршневые ДВС делятся на бензиновые и дизельные.

Бензиновый двигательДизельный двигатель
На легковых автомобилях наибольшее распространение получил бензиновый ДВС. Он работает только на бензине с различным октановым числом. Предварительно сжатая в цилиндре топливно-воздушная смесь воспламеняется с помощью искры, подаваемой свечой зажигания. Управление мощностью осуществляется дроссельной заслонкой, регулирующей поток воздуха. КПД бензинового мотора составляет около 20-30%, но такой двигатель может работать на высоких оборотах и имеет большую удельную мощность. Показатели давления и температуры в цилиндрах у бензинового ДВС меньше, чем у дизельного, а в выхлопе содержится меньше серы, сажи и токсичных газов, но больше окиси углерода.Дизельные двигатели стали массово использоваться на легковых автомобилях только в конце XX века. КПД у дизельного мотора выше, чем у бензинового (40-45%), при этом в качестве топлива могут выступать низкосортные продукты нефтепереработки или даже растительные масла. Принцип работы дизельного ДВС заключается в самовоспламенении топливной смеси в цилиндре от сжатия, при высоких давлении и температуре. Это требует более прочной конструкции и защиты от высоких температур, зато у дизельного силового агрегата отсутствуют свечи зажигания, а смесеобразование и сгорание проходят быстрее, чем в бензиновом. Мощность регулируется не дроссельной заслонкой, а непосредственно интенсивностью впрыска топлива в цилиндры. К недостаткам дизельного двигателя относятся дорогой ремонт, необходимость использования более мощного стартера, характерный стук при работе и застывание летнего дизельного топлива на морозе.
Читать еще:  Что такое линейный асинхронный двигатель

В зависимости от количества тактов в рабочем цикле различают двухтактные и четырёхтактные двигатели внутреннего сгорания. Особое место в этой классификации занимает роторно-поршневой двигатель Ванкеля, который не относится к поршневым ДВС, но по сути является четырёхтактным.

При первом такте (сжатия) поршень перемещается от нижней мёртвой точки к верхней, перекрывая нижнее и верхнее продувочные окна и сжимая поступившую ранее топливную смесь. Одновременно в кривошипную камеру, расположенную в нижней части цилиндра, вследствие её герметичности поступает новая топливная смесь. При втором такте (рабочего хода) сжатая горючая смесь воспламеняется искрой от свечи зажигания, в результате чего поршень под давлением движется к нижней мёртвой точки, вращая коленчатый вал и сжимая смесь в кривошипной камере. Из последней топливная смесь через открытое впускное окно заполняет цилиндр, вытесняя отработавшие газы через выпускное окно (продувка). Далее поршень снова поднимается вверх, и цикл повторяется.

Преимущества двухтактного двигателя заключается в том, что он проще по конструкции, чем четырёхтактный, и даёт примерно в 1,5 раз больше мощности при том же рабочем объёме. Однако в наше время двухтактные ДВС практически не используются из-за низкой экономичности и плохих экологических показателей, связанных с неполным сгоранием топливно-воздушной смеси и попадании части её в выпускное окно при продувке.

Роторно-поршневой мотор обладает рядом преимуществ перед традиционным, так как развивает больше мощности при меньшем объёме, имеет небольшие габариты и относительно простую конструкцию. К недостаткам двигателя Ванкеля относятся быстрый износ уплотнителей между ротором и камерой сгорания, требование высокой точности при сборке деталей, необходимость специальной системы смазки, склонность к перегреву и неэкономичность на низких оборотах.

Газотурбинный двигатель (ГТД) может работать на любом топливе, от керосина до мазута, и всегда имеет бОльшую удельную мощность, чем поршневой ДВС, хотя КПД у него ниже. По компактности, весу, шуму и вибрациям ГТД значительно лучше поршневого ДВС, но из-за таких факторов, как высокая стоимость (объясняется необходимостью использования жаростойких материалов), большая частота оборотов (до 100000 об/мин), высокая температура выхлопа и задержка отклика на управление мощностью (невозможность снижения оборотов при отпущенной педали газа без торможения), он так и не нашёл применения на легковых автомобилях, за исключением нескольких концепт-каров.

По конфигурации, то есть взаимному расположению цилиндров, автомобильные двигатели бывают:

  • Рядные — цилиндры расположены на одной линии, а их поршни вращают один коленчатый вал. Такие двигатели более простые по конструкции, надёжные и удобные в обслуживании, чем V-образные. Могут иметь как чётное (2, 4, 6 или 8), так и нечётное (3 или 5) количество цилиндров. В наше время наиболее распространёнными являются рядные 4-цилиндровые моторы, а 6-цилиндровые постепенно выходят из употребления, подобно тому, как в послевоенные годы перестали использоваться рядные 8-цилиндровые двигатели. Это связано с большой длиной блока цилиндров и коленчатого вала, требующей много места под капотом, а также быстрым износом. Существует и такой вариант конфигурации, как U-образный двигатель, который состоит из двух установленных параллельно рядных блоков с отдельными коленчатыми валами, соединёнными цепью или шестерней.
  • V-образные — цилиндры расположены один напротив другого под углом от 10° до 120°. Мотор состоит из двух блоков цилиндров, немного смещённых относительно друг друга и соединённых общим коленчатым валом. V-образные двигатели имеют только чётное количество цилиндров (2, 4, 6, 8, 10, 12 или 16). Как правило, такие двигатели более компактные и сбалансированные, чем рядные, и обеспечивают больше мощности. Разновидностью V-образной конфигурации являются моторы Volkswagen VR5 и VR6, состоящие из двух блоков цилиндров, установленных близко друг другу под углом 10°-15° и соединённых общей головкой. Такая конфигурация совмещает в себе преимущества рядных и V-образных двигателей.
  • Оппозитные, или плоские, — цилиндры расположены в двух блоках с углом развала 180°, то есть горизонтально один напротив другого. Двигатель имеет плоскую форму и обычно применяется в заднемоторных автомобилях.
  • W-образные — цилиндры расположены в трёх или четырёх параллельных блоках и соединены общим коленчатым валом. В наше время W-образные двигатели, полученные в результате соединения двух моторов конфигурации VR, использует только компания Volkswagen.
  • Радиальные, или звездообразные, — цилиндры расположены радиальными лучами вокруг коленчатого вала через равные углы, обычно в один ряд. Такие двигатели широко применяются в авиации, а на автомобилях встречаются крайне редко.

Двигатели также различаются по количеству цилиндров:

  • 1-цилиндровый — простейшая разновидность поршневого ДВЗ, состоящая из одного цилиндра. Исторически самый первый, но несбалансированный и наименее эффективный вид силового агрегата. Применялся на ранних мотоколясках и на микроавтомобилях.
  • 2-цилиндровый — как и 1-цилиндровый, встречается чаще в 2-тактном варианте, поскольку 4-тактные моторы такого типа не обеспечивают плавности хода. Бывает трёх конфигураций: рядный, V2 и F2. Устанавливался на микрокары и автомобили конца XIX — начала XX века.
  • 3-цилиндровый — из-за нечётного количества цилиндров также является несбалансированным и бывает только рядным. 3-цилиндровые моторы небольшого объёма (до 1.2 л) ставятся на некоторые из современных малолитражек.
  • 4-цилиндровый — самый распространённый и выгодный в производстве двигатель, подходящий для любого автомобиля относительно небольших размеров. Конструкция рядного 4-цилиндрового мотора несбалансированная, но при небольшом объёме не требует дополнительного балансировочного вала. Объём современных 4-цилиндровых двигателей составляет от 0.7 до 2.3 л, хотя раньше встречались и гораздо большие агрегаты. Относительно редкими являются конфигурации V4 и F4, которые применялись в некоторых заднемоторных автомобилях и отличались повышенной шумностью.
  • 5-цилиндровый — впервые появился на Mercedes-Benz в середине 70-х гг., но до сих пор встречается нечасто. Несбалансированный и дорогой в производстве, поскольку не может быть унифицирован с 4-х или 6-цилиндровыми моторами. Бывает рядный или конфигурации VR.
  • 6-цилиндровый — исторически наиболее распространённый в рядной конфигурации, которая отличается сбалансированностью и плавностью работы, на автомобилях среднего или высшего класса. Однако из-за большой длины и трудностью поперечной установки такие двигатели постепенно уходят в прошлое. Сейчас чаще используются моторы V6, несбалансированные, но более компактные и пригодные для переднеприводной компоновки. Оппозитные 6-цилиндровые двигатели ставятся на Porsche 911.
  • 8-цилиндровый — в рядной конфигурации, несмотря на большую длину блока, является сбалансированным и создаёт минимум вибраций, но, как правило, ограничен в максимальных оборотах из-за риска деформации коленчатого вала. Использовался только в довоенные годы на люксовых автомобилях, в отличие от мотора V8, который применялся на машинах разных ценовых категорий, особенно в США, а сейчас чаще всего встречается на внедорожниках и спортивных моделях. Преимущества двигателя V8 заключаются в относительной компактности и высокой производительности, недостатки — в несбалансированности и высоких показателях расхода топлива при большом объёме.
  • 10-цилиндровый — на автомобилях бывает только V-образным, получается в результате соединения двух рядных 5-цилиндровых моторов или добавления к V8 дополнительной пары цилиндров. Устанавливается на спорткары или полноразмерные пикапы.
  • 12-цилиндровый — в V-образной конфигурации состоит из двух рядных 6-цилиндровых блоков или двух моторов V6, конструкция полностью сбалансированная. Двигатель V12 часто использовался на роскошных довоенных автомобилях, а сегодня встречается на многих суперкарах. Бывает и в варианте W12 из трёх 4-цилиндровых или четырёх 3-цилиндровых блоков, крайне редко — в оппозитной конфигурации.
  • 16-цилиндровый — V-образный встречается на автомобилях в исключительных случаях: на довоенных моделях Cadillac, Marmon и Peerless, а также на некоторых гоночных болидах. Прекрасно сбалансированный и практически бесшумный, но слишком длинный и дорогой в производстве. Двигатель W16, состоящий из двух блоков VR6, имеет только один серийный автомобиль — Bugatti Veyron.
  • 18-цилиндровый — в конфигурации W18 из трёх рядных 6-цилиндровых блоков под углом 60° использовался на нескольких прототипах Bugatti в конце 90-х гг.
Тип двигателяУстройствоПример
Рядный2-цилиндровый
3-цилиндровый
4-цилиндровый
5-цилиндровый
6-цилиндровый
8-цилиндровый
V-образный2-цилиндровый
4-цилиндровый
6-цилиндровый
8-цилиндровый
10-цилиндровый
12-цилиндровый
16-цилиндровый
Оппозитный2-цилиндровый
4-цилиндровый
6-цилиндровый
8-цилиндровый
12-цилиндровый
16-цилиндровый
W-образный6-цилиндровый
8-цилиндровый
12-цилиндровый
16-цилиндровый
18-цилиндровый
Радиальный6-цилиндровый
8-цилиндровый
12-цилиндровый
16-цилиндровый

В зависимости от типа ГРМ различают нижнеклапанные и верхнеклапанные двигатели внутреннего сгорания.

Разновидностью нижнеклапанного типа ГРМ является схема T-head, когда впускные клапаны расположены с одной стороны блока цилиндров, а выпускные — с другой, при этом распределительных вала два. Также существовали двигатели со смешанным расположением клапанов (F-head), с верхними впускными, боковыми выпускными клапанами и одним распредвалом в блоке.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector