Газораспределительный механизм
Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Газораспределительный механизм — механизм своевременного распределения впуска горючей смеси и выпуска отработавших газов в цилиндрах двигателя внутреннего сгорания. Осуществляется путём открытия и закрытия впускных и выпускных клапанов цилиндров, имеющих привод от распределительного вала (распредвала) и кулачкового механизма. Распредвал имеет жёсткую синхронизацию вращения с коленвалом, реализованную с помощью шестерёнчатой, зубчаторемённой или цепной передачи.
Как правило, на высокофорсированных двигателях обрыв или проскальзывание ремня или цепи ГРМ приводит к выходу двигателя из строя.
Содержание |
[править] Типология ГРМ
По расположению распределительного вала выделяют двигатели:
- С распредвалом, расположенным в блоке цилиндров (Cam-in-Block);
- С распредвалом, расположенным в головке цилиндров (Cam-in-Head).
Эти два типа разделяются на целый ряд подтипов в зависимости от расположения и конфигурации клапанов[1].
[править] Двигатели с распредвалом в блоке цилиндров
[править] Нижнеклапанные
Нижнеклапанный двигатель (англ. «L-Head», «Flathead», SV, «Side-Valve») — двигатель, у которого распредвал расположен в блоке и клапана расположены также в блоке, в ряд сбоку от цилиндров, тарелками вверх. Привод непосредственно от расположенного под ними распредвала.
Плюсы схемы — малая шумность, простота изготовления. Минусы — из-за сложного пути бензовоздушной смеси значительно ухудшается наполнение цилиндров, как следствие — достигается ощутимо меньшая мощность по сравнению с остальными конфигурациями. Кроме того, долгий путь выхлопных газов может способствовать перегреву двигателей, работающих в тяжёлых условиях.
Вплоть до 1950-х годов, благодаря своей простоте и дешевизне двигатели с таким ГРМ были наиболее распространены на легковых (кроме спортивных) и грузовых автомобилях. В 1950-х годах стали массово внедрять верхнеклапанные двигатели, лишённые присущих нижнеклапанной схеме недостатков. На грузовых автомобилях эта схема использовалась намного дольше, например, грузовик ГАЗ-52 выпускался до 1990-х годов. Интересно, что за рубежом так же были примеры долгоживущих нижнеклапанных двигателей.
Разновидностью схемы были имевшие некоторое распространение до Второй мировой войны двигатели с типом ГРМ, называемым «T-Head» (русский аналог отсутствует). У них впускные клапана находились с одной стороны блока цилиндров, а выпускные — с другой. Соответственно, распределительных валов так же было два. Цель такой конструкции — устранить эффект перегрева 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, так же относительно распространённая в те годы). Таким двигателем, в числе прочих, оснащались первые модели «Руссо-Балта».
Двигатель получался громоздким, дорогим, поэтому схема не получила особого распространения.
[править] Со смешанным расположением клапанов
Так же встречается обозначение — «F-Head». У такого двигателя обычно впускные клапана находятся в головке блока, как у верхнеклпанного мотора, и приводятся в действие при помощи штанг-толкателей, а выпускные — в блоке, как у нижнеклапанного двигателя. Распредвал 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.
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 соответственно 35, 50 и 90 л.с.
За рубежом, 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 появлением «настоящих» верхнеклапанных двигателей, эта схема почти полностью вышла из употребления. Тем не менее, последний такой двигатель был выпущен фирмой Willys в 1970-х годах.
[править] Верхнеклапанные (тип OHV)
У этих двигателей клапана 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. Изобретена Дэйвидом Данбаром Бьюиком (David Dunbar Buick) в самом начале XX века.
Плюс такой схемы — относительно простая конструкция, в частности, как правило испольуется 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.
Кроме того, двигатели с ГРМ типа OHV ощутимо более компактны по сравнению с верхнеклапанными, так как у них отсутствует расположенный сверху в головке блока вал; для рядных двигателей это в особенности касается габарита по высоте, а для V-образных — и высоты, и габаритной ширины.
Минус — очень большая инерционность такого механизма газораспределения, что сильно ограничивает максимальные обороты коленчатого вала двигателя и, следовательно, мощность.
Кроме того, такая схема в большинстве случаев не даёт использовать больше двух клапанов на цилиндр, усложняет проектирование впускных и выпускных окон в головке цилиндров с высокоэффективной конфигурацией.
Двигатели этой схемы, как правило, 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. Из отечественных, такой механизм газораспределения имели такие автомобили, как «Волга» (все карбюраторные модели), «Москвич» всех моделей от —407 до —408 включительно, все грузовики с двигателями конфигурации V8.
В мировой практике, такие двигатели были широко распространены с 1950-х по 1970-е годы, а в настоящее время производятся практически только в США, где налог взымается не с рабочего объёма, а только с мощности автомобиля, что даёт немалое преимущество малофорсированным, относительно тихоходным и маломощным для своего литража, но имеющим большой рабочий объём и, соответственно, крутящий момент двигателям с ГРМ типа OHV.
Кроме того, иногда такие двигатели используются на недорогих современных автомобилях из-за своей дешевизны, а также компактности. Например, Ford Ka первого поколения (на конвейере с 1996 года) до 2002 года использовал инжектированную версию двигателя Ford Kent разработки конца пятидесятых годов с ГРМ типа OHV, имеющую компактные, по современным стандартам, размеры, что позволило уместить двигатель в небольшом моторном отсеке Ka.
[править] Двигатели с распредвалом в головке цилиндров
[править] OHC
Двигатель с одним распределительным валом и клапанами в головке (Overhead Camshaft; так же, SOHC — Single OverHead Camshaft). В зависимости от конкретной конфигурации привода клапанов, выделяют двигатели с:
- Приводом клапанов коромыслами (Москвич-412, старые модели BMW, Honda) — клапана расположены по бокам от распредвала (обычно, V-образно), приводятся в движение насаженными на общую ось коромыслами, которые кулачки вала толкают с одного конца, а другой приводит в движение стержни клапанов;
- Приводом клапанов рычагами (ВАЗ-2101, −06, …) — распредвал над расположенными в ряд клапанами, приводит их посредством рычагов, опирающихся на шаровую опору, толкая их кулачками примерно посередине; минус — повышенная шумность, высокие нагрузки в месте контакта кулачков вала и рычагов, сложная регулировка клапанного зазора.
- Приводом клапанов толкателями (ВАЗ-2108, многие высокооборотные двигатели) — очень простой механизм с минимальной инерцией деталей, в котором распредвал расположен прямо над клапанами, расположенными тарелками вниз, и приводит их в движение через цилиндрические толкатели; минус — меньшая эластичность характеристики двигателя, сложная регулировка клапанного зазора.
Cхема OHC была наиболее распространена во вторую половину шестидесятых — восьмидесятые годы. Целый ряд двигателей такой схемы выпускается и в наше время, преимущественно для недорогих автомобилей (скажем, ряд двигателей Renault Logan).
[править] DOHC
Двигатель с двумя распредвалами в головке цилиндров (Double Overhead Camshaft).
При этом существуют две серьёзно различающиеся разновидности этого механизма, отличающиеся количеством клапанов.
DOHC с двумя клапанами на цилиндр
Эта схема является усложнённой разновидностью обычной OHC. В головке цилиндров расположены два распредвала, один из которых приводит впускные клапана, второй — выпускные. Эта схема применялась в 1960-х — 1970-х годах на высокопотенциальных двигателях таких автомобилей, как Fiat 125, Jaguar, Alfa-Romeo, а так же опытном двигателе гоночных автомобилей Москвич-412Р, Москвич-Г4. В настоящее время не применяется, так что применительно к ней это название следует считать устаревшим.
Схема позволяет значительно увеличить количество оборотов коленчатого вала без вредных последствий для ГРМ за счёт уменьшения его инерции, следовательно, увеличить мощность, снимаемую с двигателя. Например, мощность спортивной модификации двигателя «Москвича-412» составляла более 100 л.с.
DOHC с четырьмя клапанами на цилиндр
Два распредвала, каждый из которых приводит свой ряд клапанов, в котором есть и впускные, и выпускные. Фактически, двухрядный вариант схемы OHC со в два раза большим количеством распредвалов и клапанов. Привод клапанов, как правило, толкателями. Схема даёт большое преимущество по мощностной отдаче. Применяется на большей части современных автомобилях.
Даже если двигатель имеет более одной головки блока цилиндров, и следовательно более двух распредвалов в итоге, он всё равно относится к схеме DOHC.
[править] Десмодромная схема газораспределния
В такой схеме газораспределния используются два распределительных вала (либо один с кулачками сложной формы). Один перемещает клапана вниз, второй — вверх. Пружины отсутствуют.
Такой двигатель может раскручиваться до очень большого количества оборотов без вредных последствий, в то время, как обычный двигатель схемы OHC при частоте обращения коленвала порядка 9000 оборотов в минуту неминуемо выйдет из строя, так как скорости срабатывания клапанных пружин не будет хватать для того, чтобы отвести клапана из-под удара поршня до его прихода в верхнюю мёртвую точку.
Десмодромный механизм имеет много деталей, изготовленных с прецезионной точностью. Он очень трудоёмок и дорог в изготовлении. Этот механизм применялся на ряде гоночных автомобилей, например, Mercedes-Benz W196 и Mercedes-Benz 300 SLR, а ныне — на мотоциклах Ducati.
[править] ГРМ с изменяемыми фазами газораспределения
В настоящее время на рынке присутствуют различные двигатели с системами сдвига фаз газораспределения.
- VTEC — технология фирмы Honda. Регулировка заключается в использовании двух кулачков для регулируемого клапана.
- VVT-i — технология фирмы Toyota. Регулировка производится поворотом распределительного вала относительно его приводной звёздочки.
- Valvetronic — технология фирмы BMW. Регулировка высоты подъёма клапанов за счёт изменения положения оси вращения коромысел.
[править] Прочие системы газораспределения
[править] Гильзовая система газораспределения
Впервые разработана американским инженером Чарльзом Найтом (Charles Yale Knight), часто по его фамилии называется «системой Найта», хотя Найт разработал лишь один из типов гильзового газораспределения — со скользящими гильзами.
Применялась на дорогих легковых автомобилях — в первую очередь нужно отметить целую серию моделей SS («San-Soupape», фр. «без клапанов») французской фирмы Panhard et Levassor и автомобили фирмы Avions Voisin с двигателями Найта, а также такие модели, как Willys-Knight и Mercedes-Knight. Полный список автомобилей с двигателями Найта включает такие марки и модели, как:
- Brewster;
- Columbia;
- Daimler;
- Falcon-Knight (1927—1929);
- Mercedes-Benz;
- Minerva;
- Moline-Knight (1914—1919);
- Panhard et Levassor;
- Peugeot and Mors;
- R&V Knight (1920—1924);
- Silent-Knight (1905—1907);
- Stoddard-Dayton;
- Stearns-Knight (1911—1929);
- Avions Voisin (1919—1938);
- Willys-Knight (1915—1933);
Также, система Найта находила применение на авиадвигателях, в частности, на британских авиационных двигателях разработки тридцатых годов, таких, как Bristol Perseus, Bristol Pegasus, Bristol Hercules. Аналогичные конструкции широко применялись и на паровых двигателях.
Принцип действия — открытие/закрытие окон в стенках цилиндра скользящими гильзами (sleeve valves). На британских авиадвигателях применялась не система Найта, а система МакКаллума, в которой гильзы не скользили вдоль цилиндра, а вращались относительно него, что было проще в реализации. Также существовало небольшое число двигателей, имевших окна не сбоку цилиндра, а самой головке блока, то есть более близких к традиционной системе с тарельчатыми клапанами.
Главное преимущество — полная бесшумность. Кроме того, — долговечность и улучшение наполнения цилиндров бензовоздушной смесью за счёт большого размера и меньшего сопротивления окон в гильзах по сравнению с каналами клапанов, особенно в нижнеклапанных двигателях.
Основные недостатки — сложность и высокий расход масла.
Преимущества этой системы были особенно заметны по сравнению с нижнеклапанными автомобильными двигателями первой половины XX века, после появления гидрокомпенсаторов клапанного зазора и верхне расположенных клапанов, они практически исчезли. Тем не менее, в настоящее время ряд исследователей считает, что возможен возврат к системе Найта или иному виду гильзового газораспредления в двигателях будущего.
[править] Примечания
- ↑ Рассматриваются только устоявшиеся и широко применявшиеся на практике схемы ГРМ с классическими тарельчатыми клапанами (poppet valves), наиболее распространённого начиная с 1910-х годов типа. Ранние типы ГРМ с иными типами клапанов (золотниковыми и так далее) не рассматриваются.
