Protected by Copyscape Originality Checker
Яндекс цитирования
Рейтинг сайтов

Основные компоновочные схемы газораспределительного механизма

Основные компоновочные схемы газораспределительного механизма

Даже если бы на всех двигателях внутреннего сгорания был всегда один распределительный вал, и он всегда был бы установлен на одно и то же место, конструкторы двигателей в зависимости от технологий, применяемых на производстве, доступных материалов или обеспечения расчётных технических характеристик и снижения себестоимости двигателя могли бы придумать множество разнообразных конструкций привода распределительного вала. Но на одном автомобильном двигателе может быть установлено от одного до четырёх распределительных валов, а вал может быть установлен и в блоке цилиндров двигателя и в головке блока цилиндров. В V-образном двигателе может быть установлено четыре распределительных вала по два в двух разных головках блока цилиндров, а может быть установлен и один распределительный вал в развале блока цилиндров. Двигатель может иметь различные формы камеры сгорания и соответственно различное расположение клапанов. Поэтому количество практических конструкций схем газораспределительного механизма безгранично, их не только невозможно описать в пределах одной статьи, но и даже просто перечислить.

Какую компоновочную схему применить конструктор принимает на основании осмысления очень многих параметров – себестоимость производства и технические возможности предприятия, возможности унификации с ранее выпускавшимися моделями двигателя и предполагаемая форма камеры сгорания.

Далее будут рассмотрены наиболее часто встречающиеся компоновочные схемы газораспределительного механизма, остальные схемы, чаще всего просто вариации или комбинации этих конструкций.

 

Немного истории

Историческое развитие различных схем компоновки газораспределительного механизма

Газораспределительный механизм
Газораспределительный механизм

1.                     Нижнее расположение распределительного вала, выпускной клапан с механическим приводом в блоке цилиндров, автоматический впускной клапан, расположенный в головке блока цилиндров.

2.                     Нижнее расположение распределительного вала с нижним расположением клапанов. Клапаны расположены с обеих сторон цилиндра.

3.                     Нижнее расположение распределительного вала с нижним расположением клапанов вдоль одной стороны блока цилиндров.

4.                     Нижнее расположение распределительного вала. С верхним расположение впускного клапана и нижним расположением выпускного клапана

5.                     Нижнее расположение распределительного вала с верхним расположением клапанов

6.                     Верхнее расположение одного распределительного вала с верхним рядным расположением клапанов и толкателями

7.                     Верхнее расположение одного распределительного вала с верхним рядным расположением клапанов.

8.                     Верхнее расположение одного распределительного вала с верхним двухрядным расположением клапанов

9.                     Верхнее расположение двух распределительных валов

 

Нижнее расположение распределительного вала

Газораспределительный механизм

1 – Нижнее расположение распределительного вала, выпускной клапан с механическим приводом в блоке цилиндров, автоматический впускной клапан, расположенный в головке блока цилиндров.

Самые первые четырёхтактные двигатели внутреннего сгорания, работающие по циклу Отто, имели выпускной клапан с механическим приводом, расположенный в нижней части цилиндра и верхний впускной автоматический клапан. Впускной автоматический клапан  механического привода не имел и открывался только под воздействием разности давлений с обеих сторон клапана. При перемещении поршня вниз в надпоршневом пространстве образовывалось разрежение, то есть давление ниже атмосферного. Под воздействием давления атмосферы наружный воздух, преодолевая усилие пружины клапана, открывал клапан и поступал в цилиндр двигателя. Такую конструкцию имел и первый двигатель Отто и первые практические автомобильные двигатели немецких инженеров К. Бенца и Г. Даймлера. Выпускной клапан двигателя имел механический привод. Распределительный вал, толкатель клапана и сам выпускной клапан были расположены в нижней части цилиндра. Такие конструкции были широко распространены в конце 19 и самом начале 20 века. Двигатели эти были очень тихоходными максимальные обороты этих двигателей лежали в диапазоне 300 – 600 об/мин.

Поскольку впускной клапан двигателя не управлялся, точно установить момент открытия клапана было невозможно, и, соответственно, невозможно было увеличить максимальные обороты двигателя, подобные двигатели прекратили выпускать уже к 1905 году.

 

Газораспределительный механизм, устройство автомобиля

2 – Нижнее расположение распределительного вала с нижним расположением клапанов. Клапаны расположены с обеих сторон цилиндра.

Через некоторое время механический привод получил и впускной клапана, Что сразу позволило поднять обороты двигателя и увеличить его мощность. Первоначально клапаны располагались с обеих сторон цилиндра, но такая схема требовала применения двух распределительных валов и имела некоторые другие недостатки. Подобная схема газораспределительного механизма, называвшаяся Т-образная, применялась на выпускавшемся в России автомобиле Руссо-Балт С24-30 выпуска 1911 года. Но такая схема, по причине свойственных ей врождённых недостатков, долго не применялась.

Газораспределительный механизм, устройство двигателя внутреннего сгорания

3 – Нижнее расположение распределительного вала с нижним расположением клапанов вдоль одной стороны блока цилиндров.

В начале 20 века автомобиль быстро становился массовым предметом потребления, производители стремились удовлетворить спрос на автомобили. Конструкция, как и технологии производства автомобилей и, особенно, автомобильных двигателей стремительно развивались. Технологи быстро научились изготавливать довольно сложные блоки цилиндров и клапаны, как впускные, так и выпускные переместились на одну сторону блока цилиндров. Такая компоновка получила широкое распространение в самом начале 20-х годов прошлого века. Подобная схема для своего времени оказалась очень удачной и началась эра нижнееклапанных двигателей. Клапаны были очень близко расположены к распределительному валу, что уменьшало инерционные нагрузки, весь механизм имел достаточно простую, жёсткую и технологичную конструкцию.

Подобная схема позволила поднять рабочие обороты двигателя до 2500 – 3000 об/мин, а некоторые форсированные двигатели развивали максимальные обороты до 5000 об/мин.

 

Автомобильные двигатели с такой компоновкой газораспределительного механизма некоторыми производителями выпускались до начала 80-х годов. А для привода различных строительных, сельскохозяйственных и других механизмов они применяются и по настоящее время. Да и старые автомобили с подобными двигателями (ГАЗ-52) можно ещё встретить на наших дорогах.

 

Клапанный механизм нижнеклапанного двигателя

Газораспределительный механизм, нижнеклапанный двигатель

1.    Выпускной газовый канал

2.    Головка блока цилиндров

3.    Камера сгорания

4.    Выпускной клапан

5.    Впускной клапан

6.    Ведомая шестерня привода (распределительный вал)

7.    Ведущая шестерня привода (коленчатый вал)

8.    Распределительный вал

9.    Кулачок распределительного вала

10.                Толкатель

11.                Болт регулировки теплового зазора

12.                Тарелка пружины клапана

13.                Пружина клапана

14.                Направляющая втулка клапана                

 

Взаимное расположение камеры сгорания и клапанов нижнеклапанного двигателя

газораспределительный механизм, устройство автомобиля

1.    Поршень

2.    Блок цилиндров

3.    Головка блока цилиндров

4.    Камера сгорания

5.    Свеча зажигания

6.    Клапан (впускной или выпускной)

7.    Газовый канал (впускной или выпускной)    

 

Детали клапанного механизма нижнееклапанного двигателя

Газораспределительный механизм, устройство ДВС

1.    Седло клапана

2.    Клапан

3.    Направляющая втулка клапана

4.    Пружина клапана

5.    Тарелка пружины клапана

6.    Болт регулировки теплового зазора

7.    Толкатель

8.    Распределительный вал

 

 

Клапанный механизм нижнеклапанного двигателя

Газораспределительный механизм,устройство двигателя внутреннего сгорания

1.    Болт регулировки теплового зазора

2.    Контргайка регулировочного болта

3.    Толкатель клапана

4.    Тепловой зазор

5.    Пружина клапана

6.    Специальное приспособление для снятия (рассухаривания) клапанов

 

 

Общая компоновка нижнеклапанного двигателя

Устройство двигателя внутреннего сгорания

Двигатели такой конструкции устанавливались на легковой автомобиль Победа, на грузовые автомобили ГАЗ-51, ГАЗ-52 и множество другой техники

 

Блок цилиндров нижнеклапанного двигателя отечественного автомобиля Победа.

Устройство двигателя, как работает двигатель

1.    Отверстие впускного клапана

2.    Отверстие выпускного клапана

3.    Входное окно впускного газового канала

4.    Входное окно выпускного газового канала

5.    Полости блока цилиндров для расположения клапанов

 

Обратите внимание, что диаметр отверстий впускных клапанов (1) больше диаметра отверстий выпускных клапанов (2), а площадь окна впускного канала (3) больше площади окна выпускного канала (4).

Не зависимо от компоновочной схемы расположения клапанов и всего клапанного механизма впускной клапан всегда имеет больший диаметр по сравнению с выпускным клапаном.

 

Нижнеклапанные двигатели доминировали несколько десятилетий. Конечно, в мире выпускались двигатели с другими компоновочными схемами газораспределительного механизма, но нижнеклапанные двигатель были преобладающими.

При всех их достоинствах они имели и неустранимые недостатки. Главный из недостатков, это очень большая камера сгорания, размеры которой уменьшить до приемлемых не получалось. Большая камера имела большую, по отношению к объёму камеры сгорания, площадь внутренних поверхностей, что приводило к большим потерям тепла и ухудшению процесса сгорания. К ухудшению процесса сгорания также приводила неудачная форма камеры сгорания. И, что пожалуй главное, большая камера сгорания не позволяла поднять степень сжатия двигателя, обеспечивающую эффективную работу двигателя. Вторым недостатком был очень сложный путь движения воздуха от воздушного фильтра до камеры сгорания. На своём пути воздушный поток изменял направление несколько раз, что приводило к снижению скорости движения потока и, следовательно, к снижению коэффициента наполняемости.

 

Для устранения этих недостатков было необходимо перенести клапаны в головку блока цилиндров. К этому конструкторы шли разными путями. Существовали также такие экзотические схемы, в которых впускной клапан имел верхнее расположение, а выпускной клапан имел нижнее расположение. При этом распределительный вал оставался в блоке цилиндров. Подобную конструкцию использовала на своих автомобилях английская фирма Ровер в 50-х годах.

 

Газораспределительный механизм, клапана двигателя

4 – Нижнее расположение распределительного вала. С верхним расположение впускного клапана и нижним расположением выпускного клапана

Думаю, что подобную схему трудно отнести как к нижнеклапанной, так и к верхнеклапанной.


Устройство двигателя, клапана

Стремясь улучшить наполняемость цилиндров и поднять обороты двигателя, конструкторы перенесли клапаны в головку блока цилиндров. Это несколько упростило конструкцию блока цилиндров, но усложнило конструкцию головки блока цилиндров. Перенос клапанов в головку блока цилиндров позволило значительно улучшить наполняемость цилиндров. За счёт этого верхнеклапанные двигатели стали мощнее не менее чем на 25% по сравнению с нижнеклапанными двигателями с таким же объёмом цилиндров. Перенос клапанов в ГБЦ позволило применять камеры сгорания различной формы и, соответственно, делать двигатели с желаемой степенью сжатия. Форсированные двигатели с нижним расположение распределительного вала и верхним расположением клапанов развивали максимальные обороты до 6500 – 7000 об/мин.

 

Подобные двигатели с 60-х годов устанавливались на многие отечественные автомобили, например, на Москвич 407 и Москвич 408, на автомобиль Волга ГАЗ-21 и его модификации. Двигатели с такой конструкцией газораспределительного механизма устанавливались на автомобили Волга и УАЗ до конца 90-х годов. Подобные двигатели широко эксплуатируются и в настоящее время.

Устройство двигателя внутреннего сгорания, ДВС

На этом рисунке дан поперечный разрез двигателя автомобиля Москвич 407, выпуска 60-х годов, с нижним расположением распределительного вала и верхним расположение клапанов.

На рисунке видно взаимное расположение деталей газораспределительного и кривошипно-шатунного механизмов двигателя. Двигатель имеет прогрессивную для своего времени клиновую форму камеры сгорания, а топливовоздушная смесь, не меняя направления, по впускному каналу головки блока цилиндров попадает непосредственно в цилиндр.

Чертёж этого двигателя дан, поскольку он представляет наиболее типичную конструкцию двигателя своего времени.

 

Детали газораспределительного механизма рядного двигателя с нижним расположением распределительного вала и нижним расположение клапанов.

Газораспределительный механизм, устройство двигателя

1.    Нижний распределительный вал

2.    Толкатель

3.    Штанга

4.    Ось (вал) коромысел

5.    Коромысло

6.    Болт регулировки теплового зазора

7.    Наружная пружина клапана

8.    Внутренняя пружина клапана

9.    Клапан

10.                Седло клапана

 

Устройство двигателя, газораспределительный механизм

Схема с нижним расположением распределительного вала и верхним расположением клапанов широко применялась и в V-образных двигателях. В этом случае распределительный вал располагался внизу развала цилиндров. Единственный распределительный вал управлял работой как впускных, так и выпускных клапанов обеих головок блока цилиндров.

 

На этом рисунке изображён типичный американский двигатель V-8 с шатровой камерой сгорания и рядным расположением клапанов. Возможно, это покажется странным, но двигатели с одним нижним распределительным валом выпускаются в Америке и по настоящее время, хотя в остальном эти двигатели имеют все атрибуты очень современного двигателя. У этого двигателя распределительный вал располагался по середине, в развале цилиндров. При такой компоновке один, расположенный в блоке цилиндров распределительный вал приводит все клапаны (впускные и выпускные) даже двигателя V8.

Двигатель V8, V-образный двигатель

1.    Выпускной газовый канал

2.    Выпускной клапан

3.    Впускной газовый канал

4.    Коромысло

5.    Ось (вал) коромысел

6.    Впускной клапан

7.    Штанга

8.    Толкатель

9.    Нижний распределительный вал   

 

Двигатель «Hemi»

Двигатель внутреннего сгорания , устройство двигателя

1.    Полусферическая камера сгорания

2.    Свеча зажигания

3.    Толкатель

4.    Распределительный вал

5.    Впускной коллектор

6.    Впускной клапан

7.    Коромысло впускного клапана

8.    Ось коромысел впускных клапанов

9.    Штанга впускного клапана

10.                Коромысло выпускного клапана

11.                Ось коромысел выпускных клапанов

12.                Штанга выпускного клапана

13.                Выпускной клапан

14.                Выпускной канал ГБЦ

15.                Впускной канал ГБЦ

16.                Выпускной коллектор (спортивного автомобиля)

 

 

Разрез легендарного американского двигателя «Hemi» с полусферической камерой сгорания. У сферы самый низкий коэффициент соотношения поверхности камеры сгорания к её объёму, что значительно улучшает процессы сгорания за счёт меньшего отбора тепла от топливовоздушной смеси.

При применении сферической камеры сгорания клапаны могут быть расположены только в два ряда под углом к оси цилиндра двигателя. В этом случае, при нижнем расположении распределительного вала, толкающий штанги впускных и выпускных клапанов, расположены под углом друг к другу.

Газораспределительный механизм

1.    Толкатель впускного клапана

2.    Штанга впускного клапана

3.    Штанга выпускного клапана

4.    Толкатель выпускного клапана

5.    Распределительный вал

 

Легендарный «Hemi» имел множество модификаций и выпускался всеми ведущими американскими производителями, Которые и по настоящее время выпускают все запасные части практически ко всем выпускавшимся модификациям двигателя, а сторонние независимые фирмы могут изготовить из этих запасных частей новый двигатель

 

 

Верхнее расположение распределительного вала

Распределительный вал, устройство двигателя

Схемы с нижним расположением распределительного вала и верхним расположением клапанов, были очень прогрессивным решением для своего времени, позволившим увеличить обороты двигателя и, соответственно, улучшить эффективность его работы. Они позволили конструкторам создавать камеры сгорания любой формы и создавать двигатели с необходимой степенью сжатия. Но и эта компоновка имела значительные недостатки.

Клапаны были далеко расположены от распределительного вала. Усилие от толкателей передавалась на коромысла (рычаги) клапанов при помощи длинных толкающих штанг. Детали привода клапанов, совершающие возвратно-поступательное движение (особенно штанги), имели большую массу, что увеличивало инерционные нагрузки и, соответственно, ограничивало дальнейшее увеличение оборотов. Попытки уменьшить массу толкающих штанг приводили к тому, что штанги приобретали недопустимую упругую деформацию, что приводило к изменению параметров работы газораспределительного механизма. Поэтому многие конструкторы постарались отказаться от применения штанг.

Первоначально штанги сделали просто короче, за счёт отказа от шестерёнчатого привода распределительного вала в пользу привода цепью. Это позволило поднять расположенный в блоке цилиндров распределительный вал.

Распределительный вал, газораспределительный механизм

1.    Ведомая шестерня (распределительный вал)

2.    Ведущая шестерня (коленчатый вал)

3.    Ведущая звёздочка (коленчатый вал)

4.    Ведомая звёздочка (распределительный вал)

5.    Цепь привода распределительного вала.

 


распределительный вал, устройство автомобиля, устройство двигателя

Такая схема называлась – среднее расположение распределительного вала.

После этого распределительный вал переместился поближе к клапанам в головку блока цилиндров (6).

 

 

Один распределительный вал, расположенный в головке блока цилиндров

Установленный в головку блока цилиндров единственный распределительный вал (SOHC), управлял работой как впускных, так и выпускных клапанов. Поскольку чем ближе распределительный вал к клапанам, тем меньше в газораспределительном механизме количество и масса деталей, совершающих возвратно-поступательное движение. Уменьшение инерционных нагрузок обеспечивает лучшую работу газораспределительного механизма и, что позволяет увеличить обороты двигателя.

При такой схеме клапаны могут иметь как рядное, так и наклонное двухрядное расположение. Клапаны могут приводится, как непосредственно кулачком распределительного вала, расположенного над клапанами, так и посредством рычагов (рокеров).

Распределительный вал, устройство двигателя

1.    Головка блока цилиндров

2.    Клапан

3.    Наружная пружина клапана

4.    Внутренняя пружина клапана

5.    Тарелка клапанной пружины

6.    Стаканчатый толкатель

7.    Корпус подшипников распределительного вала

8.    Распределительный вал

9.    Шайба регулировки теплового зазора

10.          Конусные сухарики крепления тарелки клапанной пружины

11.          Маслосъёмная манжета клапана

12.          Направляющая втулка клапана

13.          Седло клапана          

На этом рисунке изображён газораспределительный механизм автомобиля ВАЗ-2108. Эта конструкция ГРМ очень типичная и применяется на многих автомобилях.

В этой конструкции ГРМ клапан нажимает непосредственно на толкатель без применения рычага, следовательно, подъём клапана равен высоте подъёма кулачка распределительного вал. При такой конструкции ГРМ клапаны могут быть расположены только в ряд. Этот двигатель имеет камеру сгорания в виде клина.

Устройство двигателя, устройство автомобиля

1.    Клапан

2.    Направляющая втулка клапана

3.    Наружная пружина клапана

4.    Внутренняя пружина клапана

5.    Тарелка пружины клапана

6.    Корпус распределительного вала

7.    Распределительный вал

8.    Пружина рычага

9.    Рычаг привода клапана (рокер)

10.                Шаровая опора рычага с регулировкой теплового зазора

11.                Контргайка регулятора теплового зазора

 

На этом рисунке дана схема газораспределительного механизма с верхним расположением распределительного вала и с применением рычага в приводе клапанов. По такой схеме сделан газораспределительный механизм всех моделей с ВАЗ-2101 по ВАЗ-2107.

На обоих рисунках показаны двигатели с клиновой камерой сгорания, в этом случае клапаны расположены в один ряд.

 

Распределительный вал, клапана, устройство двигателя

1- Выпускной клапан; 2 – Нижняя упорная шайба пружин клапана; 3 – Внутренняя пружина клапана; 4 – Наружная пружина клапана; 5 – Маслоотражающий колпак; 6 – Резиновое маслоудерживающее кольцо; 7 – Тарелка пружины клапана; 8 – Сухарик; 9 – Наконечник клапана; 10 – Ось коромысел выпускных клапанов; 11 – Коромысло выпускного клапана; 12 – Распределительный вал; 13 – Ось коромысел впускных клапанов; 14 – Коромысло впускного клапана; 15 – Контргайка регулировочного болта; 16 – Болт регулировки теплового зазора; 17 – Головка блока цилиндров; 18 – Впускной клапан; 19 – Кулачок впускного клапана; 20 – Седло впускного клапана; 21 – Кулачок выпускного клапана; 22 – Седло выпускного клапана.

 

Клапанный механизм изображённый на этом рисунке с единственным распределительным валом, управляющий как впускными, так и выпускными клапанами при помощи коромысел позволил создавать двигатели с любой формой камеры сгорания.

При применении газораспределительного механизма с единственным распределительным валом. В этом случае для расположения клапанов под углом к оси цилиндра, без применения коромысел не обойтись.

На верхнем рисунке изображён клапанный механизм отечественного автомобиля Москвич 412, на автомобиле с таким двигателем команда АЗЛК выиграла легендарное ралли Лондон-Сидней. Подобная схема была очень типична для своего времени. Она широко применяется и сегодня, причём как в рядных, так и V-образных двигателях.

 

Распределительный вал, Порше 911, устройство двигателя

А на этом рисунке изображён газораспределительный механизм оппозитного двигателя супер автомобиля Порше 911. Поскольку качество изготовления мы не рассматриваем, можно заметить, что особых отличий нет.

 

Но современные двигатели чаще имеют газораспределительный механизм с двумя распределительными валами, расположенными в головке блока цилиндров (DOHC), при этом один распределительный вал управляет впускными, а второй выпускными клапанами.

 


Распределительный вал, устройство автмобиля

Два распределительных вала, расположенных в головке блока цилиндров

Распределительный вал, устройство двигателя

1.    Выпускной распределительный вал

2.    Крышка подшипника распределительного вала

3.    Стаканчатый толкатель с гидравлическим компенсатором теплового зазора

4.    Канавка подвода масла на толкателе

5.    Масляная магистраль, подвода масла к гидравлическим компенсаторам

6.    Пружина клапана

7.    Выпускной клапан

8.    Седло выпускного клапана

 

На этой фотографии дан разрез головки блока цилиндров с двумя распределительными валами. На фотографии пронумерованы детали выпускного клапана, детали впускного клапана ничем не отличаются от деталей выпускного клапана, часто они взаимозаменяемы. Исключением является только сам клапана, поскольку, как указывалось ранее, тарелка впускного клапана обычно имеет больший диаметр. Соответственно и седло впускного клапана имеет увеличенный диаметр. При такой компоновочной схеме клапаны могут быть расположены только в два ряда.

 

Широкое распространение на серийных автомобилях двухвальная схема (DOHC) получила сравнительно недавно, хотя первые подобные конструкции появились в самом начале 20 века. Такая схема имела высокую себестоимость и по этой причине в автомобильных двигателях серийных автомобилей широкого распространения не получила. Но эта схема имела широкое распространение в поршневой авиации и в дорогих спортивных автомобилях, почти все спортивные автомобили 30-х – 40-х годов прошлого века имели по два распределительных вала на головку.

За последние 20 лет резко возросли требования по токсичности и топливной экономичности к двигателям серийных автомобилей, при одновременном улучшении машиностроительных технологий. Для выполнения возросших требований к двигателю автомобиля эту схему стали широко применять практически на всех серийных автомобилях

 

Подобная компоновочная схема даёт некоторые преимущества современному двигателю.

 

Первое, применение этой схемы позволило выпускать многоклапанные головки. Много лет каждый цилиндр серийного автомобильного и многих других двигателей внутреннего сгорания имел по два клапана на цилиндр, один впускной и один выпускной клапан. Хотя в авиации и в спортивных автомобилях широко применялись двигатели, имеющие по три, четыре и даже пять клапанов на цилиндр. Там они применялись для повышения коэффициента наполняемости, что способствовало увеличению литровой мощности двигателя.

В современных двигателях многоклапанные схемы позволяют снизить потребление топлива при одновременном выполнении строгих норм по токсичности.

 

Второе, раздельные впускные и выпускные распределительные валы позволили создать современные системы с раздельной регулировкой (изменением) фаз газораспределения выпускных и выпускных клапанов.

Почти все современные двигатели имеют по 4 клапана на цилиндр, два впускных и два выпускных. Схемы с применением более чем четырёх клапанов на один цилиндр широкого распространения не получили.

 

 

Типичное расположение клапанов в головке блока цилиндров современного двигателя

Клапаны, 4 клапана на цилиндр
Клапана, головка блока цилиндров

1.    Впускной клапан

2.    Выпускной клапан

3.    Свеча зажигания