ДВС и его виды. Часть 3⁠⁠

Итак, продолжим. Не ожидал, что посты вызовут столько интереса, постараюсь не разочаровать целую гору подписчиков))

Время шло, менялись приоритеты, аппетиты автовладельцев росли, росло качество ГСМ. Совсем скоро автопроизводители уперлись в предел компоновки нижнеклапанного двигателя, Устройство с вихревой камерой, дававшее много преимуществ на низкооборотистых, тяговитых моторах, при попытке поднять частоту вращения коленвала давало одни минусы, низкая степень сжатия, связанное с этим вялое воспламенение рабочей смеси, привели конструкторов к мысли, что просто необходимо уменьшать камеру сгорания и улучшать газодинамические характеристики впускных каналов, так как с увеличением мощности росло и потребление воздуха, скорость воздушного потока во впускном тракте становилась все выше, а в нижневальном моторе поток как правило не меньше двух раз меняет направление своего движения на 180 градусов, что резко отрицательно сказывалось на пропускной способности впускного тракта

Вспомним картинку, и оценим, какой лютый зигзаг надо пройти воздуху на такте впуска. Помимо этого вокруг клапанов была огромная мертвая зона, которая преграждала путь воздуху, проходящему в щель между блоком и тарелкой открытого клапана.

На фото я обвел красным мертвую зону клапанов, зеленым - эффективную. Как видим, об эффективной продувке и пропускной способности можно и не мечтать. Передвинуть клапаны ближе к краю цилиндра конструктивно невозможно,  выпилить пространство по красной зоне нельзя, так как увеличится и так огромная камера сгорания, а степень сжатия давно уже пора было повышать, да и карбюраторы стали совершеннее, нужно было кардинально менять конструкцию мотора. Инженеры подумали, и создали самую массовую за всю историю компоновку, которая живет по сей день, это OHV (Over Head Valve), то есть клапаны над головкой, или верхнеклапанная компоновка, или в народе - нижневальный мотор.

Эта компоновка оказалась настолько простой, надежной и удачной, что сразу овладела миром, причем она позволяла создавать как моментные низкооборотистые грузовые моторы, так и мощные крутильные легковые. Распределительный вал по прежнему находился в блоке цилиндров и приводился от коленвала посредством цепной или шестеренчатой передачи. Кардинальные изменения произошли с головкой цилиндров и приводом клапанов. Головка стала изготавливаться преимущественно из алюминия, хотя было много и чугунных вариантов, привод клапанов от распредвала осуществлялся через полые алюминиевые штанги (на картинке №10), которые давили на коромысло 7 через регулировочный болт, коромысло в свою очередь воздействовало на торец клапана, который был установлен вертикально или под углом, в зависимости от конструкции. Клапан устанавливался в бронзовую или чугунную втулку-направляющую, запрессованную в головку блока (№3), также клапаны обзавелись сальниками, устанавливаемыми на направляющие втулки, сальники предотвращают попадание масла по стержню клапана во впускной или выпускной тракт, в народе зовутся маслосъемными колпачками. В камере сгорания, в тело алюминиевой головки запрессовывалось седло клапана из стали или чугуна. Выпускные клапаны в некоторых конструкциях стали полыми, внутреннее пространство стержня клапана заполнялось натрием для более эффективного отвода тепла от тарелки клапана в направляющую, технология встречается и сейчас, поэтому пилить болгаркой выпускные клапаны не стоит). Головка получила свой собственный маслоканал, который использовался для подачи масла на опору коромысел, места контакта наконечника штанги с регулировочным болтом и коромысла с торцом клапана, масло стекало из головки в поддон по отдельному дренажному каналу под действием силы тяжести.

Вот типичная схема смазки мотора OHV, на примере УМЗ 421, широко использовавшихся в уазиках и газелях. Шестеренчатый масляный насос, установленный в картере двигателя и приводимый в действие посредством червячной передачи от распределительного вала (№7), всасывал масло через фильтр грубой очистки (№8) из поддона и подавал его на фильтр тонкой очистки (№5).  В фильтре тонкой очистки расположен перепускной клапан, так как холодное масло не может проходить через бумажный фильтрующий элемент с достаточной скоростью, и данный клапан пропускал масло в обход масляного фильтра, мока масло не прогреется и не снизит вязкость, также этот клапан пропускал масло при сильном загрязнении фильтрующего элемента, дабы предотвратить масляное голодание подшипников скольжения. Именно поэтому стоит помнить, что холодный мотор работает без масляного фильтра. В корпусе масляного насоса стоит ограничительный клапан, который ограничивает максимальное давление в системе смазки, обычно на уровне 4.5-5 атмосфер. Далее, отфильтрованное мало поступает в главную масляную магистраль, откуда подается на коренные подшипники коленвала и на опорные подшипники распределительного вала, шатунные подшипники получают масло по каналам внутри коленвала от коренных подшипников, вторая масляная магистраль в блоке цилиндров смазывает посадочные места толкателей штанг и кулачки распределительного вала. Отдельная масляная магистраль идет в головку блока цилиндров, где масло подается во внутреннюю полость оси коромысел, откуда через отверстия попадает в подшипники коромысел и разбрызгиванием смазывает остальные детали ГРМ, находящиеся в головке, стенки цилиндров и шестерни привода распределительного вала смазываются масляным туманом, создающимся посредством разбрызгивания масла из шатунных подшипников. В конце масляной магистрали на этих моторах устанавливался ограничительный клапан масляного радиатора, он отключал масляный радиатор при низком давлении масла, для предотвращения падения давления масла до аварийного, также в холодное время года масляный радиатор отключался специальным краном на блоке двигателя.

Новая конструкция сильно развязала руки конструкторам, можно было повышать степень сжатия до любых показателей, впускной тракт стал гораздо прямее и теперь создавал гораздо меньшее сопротивление потоку воздуха, также появилась возможность кардинально уменьшить мертвые зоны вокруг седел клапанов. Сами тарелки клапанов стало возможно сделать очень большими, чем в несколько раз повысить качество наполнения цилиндров. Вот интересный пример, мотор Chrysler HEMI V8 из пятидесятых годов

Классическая компоновка OHV, два клапана на цилиндр, сферическая камера сгорания, сильно заваленные в сторону впускного клапаны, из-за чего вокруг тарелки клапана почти нет мертвых зон и поток минимально меняет направление во время впуска. 

А теперь посмотрим на современный HEMI V8

Ну как, нашли отличия? А их в общем-то и нет. Это тот самый случай, когда инженеры сразу достигли максимум компоновки, отличия заключаются только в более легких и прочных материалах, более качественных отливках, благодаря чему получилось максимально снизить вес кривошипно-шатунного механизма, максимально увеличить впускные и выпускные каналы. Все остальное - заслуга современных систем управления двигателем.

С момента появления OHV, мощности моторов стали стремительно расти, и у разных производителей сформировались различные стили конструирования. кто-то делал моментные длинноходные двигатели, кто-то крутильные и мощные короткоходы. На этом стоит задержаться. Вообще у поршневых моторов есть один очень важный параметр - геометрия.

Во время работы, в исправном моторе, поршень не касается стенок цилиндра, он скользит по масляной пленке, которая удерживается на стенках специальными насечками, называемыми хоном, название пошло от имени инструмента, с помощью которого производят хонинговку цилиндров.

У цилиндра ни в коем случае не должно быть зеркальной поверхности. Есть два вида хона - островершинный и плосковершинный, их схематичные профили на картинке

Первый вариант под буквой А давно устарел, это та самая вещь, из-за которой наши деды занимались обкаткой новых моторов, обкатка завершалась в тот момент, когда острые вершины счесывались до состояния Б, притирались друг к другу, естественно изнашиваясь и производя продукты износа. Таким способом давно никто не пользуется, сейчас сразу делают платохонингование цилиндров, после которого сразу получается вариант Б, такой мотор в принципе не требует никакой обкатки, ибо в исправном двигателе нет трущихся деталей, и обкатывать там нечего.

Так вот, поршень скользит на масляной пленке и у него есть линейная скорость перемещения, общепринятая максимальная линейная скорость поршня - 25 метров в секунду, при превышении данной скорости лавинообразно растет риск разрушения масляной пленки, которое приведет к контакту юбки поршня со стенкой цилиндра и мгновенному его перегреву, прихвату, обрыву  юбки и последующему Сталинграду в моторе. Дабы этого не допустить, производители стараются не превышать) Есть интересная табличка

В соответствии с этими данными, на этапе начала создания двигателя, конструкторы сначала определяются с ходом поршня. Например, если нужен тихоходный, но тяговитый мотор, максимальная проектная частота вращения коленвала которого не будет превышать 6000 оборотов,  ход поршня можно сделать хоть 10см, чем больше, тем более высокий крутящий момент на низких оборотах мы получим, так как с ростом хода поршня увеличивается длина плеча кривошипа у коленвала, а чем больше рычаг, тем большее усилие можно реализовать. А вот итоговый рабочий объем мотора в дальнейшем наращивают диаметром цилиндра, и само соотношение хода поршня к диаметру цилиндра называют геометрией мотора. Например, если ход поршня 60 мм, а его диаметр 80мм, такой мотор называют короткоходным, если диаметр 60мм, а ход 80мм - длинноходным, а 86 на 86мм зовут квадратным. Так вот, из этих данных можно уже заранее понять характер двигателя. Длинноходные моторы не любят высоких оборотов, они на них скисают, зато обладают тракторной тягой с низов, так любят делать малолитражные моторы японцы. Короткоходный мотор наоборот, будет иметь вялый нижний диапазон, слабую тягу на низких оборотах, зато будет иметь взрывной характер на высоких, так любят делать немцы, да и почти все гоночные моторы короткоходные. А квадратные моторы универсальны, и там и там успели, их любят все, так как они идеальны для стандартной повседневной эксплуатации.

Но компоновка OHV не лишена минусов, и самый весомый - вес механизма привода ГРМ. А именно длинные штанги, которые оказались в патовой ситуации, сильно облегчать их нельзя, так как она испытывают серьезные нагрузки, и упрочнять их нельзя, потому-что они должны быть легкими, данный фактор сильно ограничил максимальные обороты моторов OHV, после 6000 начинались разные паразитные явления, связанные с резонированием и изгибанием штанг, подвисанием клапанов и тому подобным. В единичных гоночных (дрэговых) моторах эти проблемы решались очень дорогими материалами, но в основном OHV остался тракторным, с могучими низами, мотором. Но не все производители смирились с этими недостатками, и разными способами они от них избавлялись.  Например, своим путем пошла компания Opel , которая раньше делала очень хорошие моторы и славилась своей любовью к высокооборотистым короткоходам. Так, они подумали и выкинули штанги, засунув распределительный вал с толкателями прямо в головку блока, которую изготавливали из чугуна, так появилась на свет компоновка CIH (Camshaft In Head, распределительный вал в головке).

Распредвал установили прямо под коромыслами, осуществив его привод от коленвала могучей двухрядной втулочно-роликовой цепью, которая могла пережить мотор при удачном стечении обстоятельств. Снизив вес ГРМ, инженеры смогли получить все плюсы короткоходной схемы, добывая довольно высокую литровую мощность. Линейка CIH выпускалась с 1966 года и дожила аж до 1995, последний ее представитель, 2.4 литровый C24NE встречался под капотом Opel Frontera. А так за долгую жизнь компоновки было выпущено очень много легендарных агрегатов, славившихся своей неубиваемостью и веселым характером.

В автоспорте использовались вариации этих моторов с 4 клапанами на цилиндр.

Но в отличии от CIH, компоновка OHV живее всех живых и сейчас, и еще очень долго будет использоваться как простая и надежная, особенно в таких тарантайках

Теперь вы знаете, что значат эти три таинственные буквы на моторе.

В завершение пробежимся по оставшимся в тени системам питания и зажигания. Правда их было такое лютое множество, что рассказать обо всем нереально, энциклопедия получится, поэтому пройдемся по основным принципам.

Итак, карбюратор.

Главная задача карбюратора - приготовление топливо-воздушной смеси в пропорции близкой к стехиометрической (стехиометрическое соотношение, это такое соотношение воздуха к топливу по массе, в котором происходит полное сгорание топлива без остатков непрореагировавшего кислорода, для бензо-воздушной смеси оно составляет примерно 14.7:1).  Вот довольно простая схема вертикального карбюратора с ниспадающим потоком

На нем видно, что карбюратор состоит из поплавковой камеры (11), где содержится запас бензина, уровень которого регулируется как в сливном бачке унитаза, главной дозирующей системы, состоящей из главного топливного жиклера 9 и эмульсионной трубки, и диффузора с дроссельной заслонкой. Основной принцип действия всех карбюраторов заключается в заужении проходного сечения основного воздушного канала, из-за чего увеличивается скорость потока и образуется зона пониженного давления, в которую выводится конец эмульсионной трубки, по которой по принципу эжекции высасывается бензин из поплавковой камеры, количество которого регулируется диаметром отверстия в главном топливном жиклере. Количество воздуха регулируется дроссельной заслонкой 7, а холодный запуск осуществляется системой обогащения смеси при холодном пуске, в народе "подсос", его главный элемент, это заслонка 5, при закрытии которой резко падает давление в диффузоре, так как мотор воздух всасывает, а заслонка его не пускает, в результате чего, резко увеличивается количество поступающего бензина через дозирующую систему. Обогащать смесь при пуске нужно для того, чтобы компенсировать низкую испаряемость топлива в камере сгорания и достичь необходимую для воспламенения концентрацию паров. Карбюраторы постоянно усложнялись, и это схема очень простого карбюратора

В них присутствовали отдельные системы холостого хода, основная и вспомогательная системы, ускорительные насосы, впрыскивавшие дополнительную порцию топлива при резком открытии дроссельной заслонки, экономайзеры принудительного холостого хода.. Под закат их жизни, были попытки сделать электронно-управляемые карбюраторы, типа Pierburg 2EE, но ничего хорошего из этого не вышло, так как вскоре подоспели системы впрыска. Также были горизонтальные карбюраторы различных конструкций, вот например карбюратор шиберного типа постоянного разряжения.

Если будет живой интерес, лучше создать отдельную тему по карбюраторам)

Системы зажигания, в отличии от всего остального, очень дого топтались на месте, преимущественно они были полностью механическими, в распределителе стоял механический прерыватель, который напрямую управлял катушкой зажигания

Регулировка опережения зажигания осуществлялась поворотом корпуса трамблера, а автоматический привод был вакуумным или центробежным и изменял угол опережения в зависимости от оборотов коленвала. Система была ненадежной, требовала частой чистки и регулировки зазора в паре контактов, да и всякими другими методами мучала голову водителя, пока контакты не догадались заменить на датчик, обычно на эффекте Холла, который давал сигнал на коммутатор, а тот в свою очередь управлял катушкой зажигания

Потом трамблер вообще всем надоел, и из него выкинули все потроха, оставив только бегунок, да крышку, с этих пор трамблер стал называться распределителем, и его задачей было только соединять катушку зажигания поочередно с каждой свечой.

А само управление зажиганием отдали электронному блоку, это был прорыв. У опеля эта система называлась MSTS-i, и появилась впервые в паре с тем самым карбюратором Pierburg 2EE, а все это сразу обозвали системой Ecotronic. Эффект был великолепен, даже учитывая убогость той системы. Система зажигания стала по настоящему надежной и наконец-то опережение зажигание стало изменяться по электронной карте зашитой в блок. На коленвал установили реперный диск, который тогда имел всего две метки и датчик положения коленчатого вала, также был установлен датчик положения дроссельной заслонки, ориентируясь на информацию от этих датчиков,  система очень гибко и эффективно управляла опережением, но жила данная система совсем не долго, ибо подошли 90-е годы и понеслась компьютерная эра, которая огромным пинком выкинула на обочину истории все эти устаревшие костыли. О чем мы и поговорим в следующей части. OHC, DOHC, современные системы впрыска, и о том, на чем нам приходится теперь ездить. До встречи!