сообщение №945

Быстроходные клапаны. Схемы газораспределительных механизмов

1. Самая старая схема («Де Дион Бутон» 1901 года): «автоматический» впускной клапан, выпускной клапан — нижний с механическим приводом.
1. Самая старая схема («Де Дион Бутон» 1901 года): «автоматический» впускной клапан, выпускной клапан — нижний с механическим приводом.

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.

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

Л. ШУГУРОВ, инженер (За рулем №1, 1978)