SOHC

Разрез цилиндра с двухвальным ГРМ.

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.

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].

Двигатели с распредвалом в блоке цилиндров

Нижнеклапанные

Ford Flathead. 1942 год.

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.

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.

Верхнеклапанные (тип OHV)

Двигатель с ГРМ типа OHV фирмы Chrysler.

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 отсутсвует 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.

Механизм привода клапанов в случае схемы OHV получается самым длинным по сравнению с остальными вариантами.

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.

Двигатели с распредвалом в головке цилиндров

OHC

ГБЦ двигателя автомобиля Honda CRX 1987 года с приводом клапанов коромыслами.

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 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.

ГРМ с приводом клапанов толкателями.

• 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).

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, 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.

Десмодромная схема газораспределния

ГРМ типа Desmodromic фирмы Ducati.

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

ГРМ с изменяемыми фазами газораспределения

В настоящее время на рынке присутствуют различные двигатели с системами сдвига фаз газораспределения.

• Honda. Регулировка заключается в использовании двух кулачков для регулируемого клапана.
• Toyota. Регулировка производится поворотом распределительного вала относительно его приводной звёздочки.
• Valvetronic — технология фирмы

Прочие системы газораспределения

Гильзовая система газораспределения

Газораспределение на Bristol Perseus

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.

Примечания

1. ↑ 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.

См. также

• Двигатель внутреннего сгорания
• Изменяемые фазы газораспределения
• Карбюратор