ДВС и его виды. Часть 4.⁠⁠

В прошлой части мы изучили компоновку OHV, узнали о короткоходных и длинноходных компоновках, о механических и первых электронных системах зажигания и о карбюраторах. В этой теме мы изучим наиболее часто встречающуюся в современных моторах компоновку OHC, современные системы управления двигателем, и поговорим о фазах и резонансах, и способах заставить их работать на нас. Но сначала пару слов о наиболее часто задаваемых вопросах в прошлых темах, так как они важны для наиболее полного понимания процессов, протекающих в двигателе.

Первое, так давно мучающий многих вопрос - мощность или момент?

Думаю многие слышали поговорки типа "лошадиные силы продают автомобили, а крутящий момент выигрывает гонки". И вы знаете, эта поговорка весьма точно описывает природу данных показателей, но не все так просто. Главная, и самая важная характеристика выдаваемая двигателем, это крутящий момент, эта характеристика показывает именно вращающее усилие, которое способен развить двигатель на хвостовике коленчатого вала, это и есть та самая тяга, способность мотора тащить. Измеряется крутящий момент в международной системе в ньютонах на метр, у нас она измеряется в килограммах силы на метр. Для понятности рассмотрим пример, что означает крутящий момент в 200Нм.

200 Ньютонов примем равными двадцати килограммам. То есть если приделать к хвостовику коленвала метровую палку и на ее конец повесить гирю весом в 20кг, то двигатель сможет ее поднять. Это и есть крутящий момент, или то самое УСИЛИЕ. Это основная характеристика, от нее зависит максимальное усилие, развиваемое на колесах, то есть от крутящего момента зависит тяговая характеристика, но не разгон до сотни, хоть и на него тоже влияет. Мощность же, это величина чисто математическая, и она измеряется по формуле. Если объяснять максимально просто,  то чтобы вычислить мощность, нам надо крутящий момент умножить на обороты. Мощность, это РАБОТА, которую мотор способен выполнить за единицу времени. Как в электрике, мощность это произведение силы тока на напряжение, где сила тока играет роль крутящего момента, ибо СИЛА, а напряжение играет роль оборотов, ибо напряжение это характеристика "скорости". Мощность измеряется в Ваттах, а мощность двигателя мы привыкли измерять в лошадиных силах. Одна лошадиная сила равна 735 Ваттам, эту мощность необходимо развить, чтобы поднять груз весом в 75 кг на высоту 1 метр за одну секунду. Как видим, мощности всегда сопутствует время. Мощность это характеристика, которая характеризует способность преодолевать сопротивление, такие вот противоречия. От мощности зависит максимальная скорость автомобиля, а от момента то, как быстро достигнет автомобиль этой скорости.

Еще пример, для того, чтобы было проще осознать. Возьмем простейший образец очень длинноходного мотора с высоким крутящим моментом, но низкой мощностью. Знакомьтесь, велосипедист.

Посчитаем его характеристики. Длина рычага педального узла 170мм, или 0.17м, вес велосипедиста 80кг, или примерно 800 Ньютонов, итого, если велосипедист просто встанет на педаль своим весом, он разовьет момент около 136 Нм, это показатели неплохого бензинового автомобильного мотора рабочим объемом 1.6л, или показатель очень лютого спортбайка, только спортбайк валит, а велосипедист нет. А весь секрет в мощности. Максимальная скорость вращения "коленвала" велосипедиста - ну скажем 180 об\мин, причем на высоких скоростях крутящий момент стремительно падает, а спортбайк выдает данный крутящий момент на 11000 об\мин, и от того совершает огромное количество работы, и у него высокая мощность, он может эффективно сопротивляться сопротивлению воздуха, и у него высокая максимальная скорость, а велосипедист обладает отличными тяговыми характеристиками, он может спокойно тянуть свою массу на прямой передаче, и он быстро достигает своей максимальной скорости, которая не высока, ибо мощности не завезли.  Исходя из этого можно подумать, что идеальный мотор - длинноходный и оборотистый, крутящего момента море, а если еще и оборотов подкинуть, у него и мощность огромная будет, но тут хоба

Скорость поршня, будь она неладна.  Поэтому длинноходные моторы стараются делать низовыми и тяговитыми, машина с ним при грамотном подборе передаточных чисел будет отлично срываться с места, и таскать тяжелый прицеп в гору, однако максимальная скорость будет не высокой, ибо большие обороты не набрать, а без них не видать мощности.

Вот типичный график внешней скоростной характеристики низового мотора

Для красноречивости возьмем дизель. Момент конский, а мощности нет, Такой мотор будет отлично тащить на установившемся режиме, однако максимальная скорость машины будет низкой. Чтобы провести столько-же работы, сколько может провести двигатель мотоцикла

Ему надо гораздо больше времени.  Отсюда и выходит, что у мотоцикла момент в два раза меньше, а мощность в два раза больше, так как дизель кончается там, где бензин еще спит. Надеюсь, теперь стало немножко понятнее.

Второй вопрос, волнующий людей, это сбалансированность моторов. Сильно вдаваться не буду, опишу самое основное, так как вибрации это целая наука, и там легко можно диссертацию писать.

Сразу скажу, наиболее сбалансированные компоновки это R6, B6, R8, V12, В12, где R -рядный, В - оппозитный, V - V-образный.

Вот табличка

Как видим, два основных источника вибраций это:

1. Силы инерции

2. Моменты от сил инерции

Каждый из этих факторов имеет степень значимости, или порядок. То есть первый порядок наиболее сильный, второй порядок слабее, есть еще третий, четвертый и так далее, но ими пренебрегают, так как их можно растворить в подвеске силового агрегата.

Силы инерции, это силы, возникающие от частей, совершающих обратно-поступательные движения, то есть поршни, шатуны, клапаны, толкатели клапанов. Силы первого порядка, это силы создаваемые движением поршней. Поршень, разгоняясь в цилиндре, накапливает кинетическую энергию, и отдает ее при торможении, пытаясь утянуть за собой мотор за коленвал, эти силы в основном уравновешиваются другими поршнями, движущимися в противофазе, если мотор не одноцилиндровый. Это источник самой сильной вибрации, поэтому так важен одинаковый до грамма вес поршней.

Силы второго порядка, это силы инерции создаваемые центром массы шатуна, движущимся по сложной траектории, эти силы пытаются раскачать двигатель в поперечной плоскости, частота вибрации от сил инерции второго порядка в два раза превышает частоту вращения коленвала, поэтому ее чаще всего гасят уравновешивающим валом, вращающимся с удвоенной частотой, однако тут возникает момент инерции от самого балансирного вала, который приходится гасить вторым балансирным валом, вращающимся в противоположную сторону. Вообще любые силы можно задушить балансиром, только их придется навешать штук шесть, что вообще никак не выгодно, плюс они съедают часть мощности.

Но помимо сил инерции, есть еще моменты от сил инерции. Это когда под действием сил инерции мотор пытается развернуться вокруг своей оси,  если сила приложена не по центру.

На схеме обозначены направления моментов от сил инерции первого порядка, то есть от поршней.  Как видим, в рядной четверке эти силы взаимоуравновешиваются, как и моменты от сил инерции второго порядка, а вот в оппозите моменты от сил инерции второго порядка остаются свободными, и пытаются развернуть мотор.

В двигателе еще очень много факторов, влияющих на получаемую вибрацию, это и вспышки в цилиндрах, и отталкивание поршня от стенки цилиндра во время рабочего хода, когда мотор пытается и вверх подпрыгнуть и вокруг оси развернуться. Это довольно сложные процессы, и от них в поршневом ДВС никуда не деться.

Ну вроде с волнующими вопросами разобрались, поехали к изначальной теме.

Компоновка CIH хоть и выигрывала у OHV в некоторых моментах, но все-же имела свои недостатки, это и паразитный вес толкателей или гидрокомпенсаторов, и сложность изготовления, требующая внедрения распределительного вала в тело головки блока, и невозможность разнести впуск и выпуск по разные стороны головки, так как с одной стороны вдоль обитал распредвал. Поэтому параллельно CIH стала набирать обороты компоновка OHC Over Head Camshaft, распредвал НАД головкой)

И тут мне бы надо вставить наглядную схему, но дело в том, что компоновка ОНС, это самая резиновая компоновка, у которой есть огромнейшее количество вариаций.

Есть компоновка с рокерами и неподвижными регулировочными опорами, либо гидрокомпенсаторами.

Такая схема использовалась очень широко в различных восьмиклапанных моторах, а любители жигулей сразу увидели в картинке что-то родное) В данной компоновке получилось кардинально снизить вес подвижных частей ГРМ, остался только клапан с тарелкой, да половина рокера. И в производстве такая схема оказалась дешевле и проще, особенно по сравнению с CIH

Распределительный вал в такой компоновке как правило устанавливался в отдельную постель

Которая бутербродом прикручивалась к головке или сквозняком прямо к блоку цилиндров, как на C20NE и его модификациях

С противоположной стороны от клапана, рокер опирался либо на регулировочную опору, либо на гидрокомпенсатор.

Кстати про гидрики. Многие ведь слышали, как стучат мифические гидрики? Сейчас расскажу.

Так получилось, то металлы, да и не только, при нагревании расширяются, тоже самое происходит и с клапаном, его ножка при нагреве удлиняется. Не трудно догадаться, что если зазора в механизме привода клапана не будет,  при нагреве клапан приоткроется. В лучшем случае сильно нарушится герметичность камеры сгорания и мотор заглохнет, в худшем - продолжит работать со сниженной мощностью, так как клапан будет приоткрыт, и не будет плотно прилегать к седлу, в связи с чем быстро перегреется и в итоге прогорит. Для избежания такого сценария в механизме привода клапанов предусмотрен тепловой зазор.

При нагреве, ножка клапана удлиняется, выбирая этот зазор, и плотность прилегания тарелки клапана к седлу не нарушается. Зазор этот везде разный и зависит от конструктивных особенностей мотора. типичными для легковых автомобилей считаются зазоры в 0.15мм для впускных клапанов, и 0.25 для выпускных, но это средняя по палате температура, рекомендуемые зазоры могут гулять очень сильно в обе стороны. Зазор на впускном клапане меньше, так как он гораздо меньше греется. Моторы с такой системой имеют повышенную шумность работы на холодную, так как эти зазоры приводят к соударению элементов привода ГРМ, что и вызывает своеобразный стрекот. Данная конструкция очень надежна, однако требует сравнительно частой регулировки, что не очень-то радует автовладельца

Дабы избавить мотор от назойливых звуков и исключить из регламентных работ по ТО мотора лишнюю процедуру, конструкторы придумали гидравлический компенсатор клапанного зазора, в народе гидрик.

Он представляет собой подпружиненную плунжерную пару, которая под действием пружины раздвигается, засасывая в пространство под плунжером масло, которое не может покинуть это пространство из-за обратного шарикового клапана, таким образом гидрокомпенсатор полностью выбирает клапанный зазор и в то-же время не дает поджать клапан, так как масло медленно просачивается в зазор плунжерной пары и позволяет компенсатору медленно, но складываться при необходимости. Компенсаторов бывает много видов, в зависимости от конструкции мотора, но все они выполняют одну функцию.

Из-за того, что гидрокомпенсатор может складываться при продолжительном на него воздействии, мотор оборудованный ими, может издавать повышенный шум не более пяти секунд при холодном запуске, пока в системе смазки не поднимется давление, и компенсатор не раздвинется до необходимой длины, набрав масла в пару.

И так, к главному.

Компоновок OHC было много, да почти у каждого из вас под капотом ОНС мотор, только производители по разному подошли к такой компоновке. Бывают компоновки не с рокерами, а с коромыслами, некое подобие CIH, только лучше

В такой схеме коромысла со стороны распредвала могут иметь ролики, для снижения трения. Это схема с одним распредвалом, ее к примеру уважает Mitsubishi. SOHC(Single Over Head Camshaft)

Как видим тут очень хорошая схема с одним распредвалом, на котором присутствуют по три кулачка на цилиндр, роликовые коромысла с встроенными в них гидрокомпенсаторами. Мотор имеет по 4 клапана на цилиндр.

Ну и самая популярная схема, это схема с прямым приводом на толкатели клапанов, многие узнают свою

Вазовские переднеприводные восьмиклапанники, тьма фольксвагенов восьмиклапанных выполнена по такой схеме.

Ну и конечно DOHC (Double Over Head Camshaft) С двумя распредвалами.

Эта схема наверно вообще, самая популярная и самая современная. Хотя, постойте, кто это у нас тут возмущается?

V12, DOHC, 4 клапана на цилиндр... Неужто семерка БМВ? Бааа, да это-ж старичок В-2 с танка Т-34! То есть пока бОльшая часть мира сношалась с нижнеклапанными чудовищами и первыми OHV, наши деды давили немчуру на DOHC)) Вот поэтому не поворачивается язык называть то или иное современным, все уже давным давно придумали, просто некоторые решения раньше было нецелесообразно отдавать на массовое использование. Да и бензин еще был слишком хреновым, для внедрения такой компоновки, а вот дизелям - счастье.

Ну, с компоновками разобрались более-менее, теперь к не менее интересному.

Когда речь идет о создании мотора с четкими характеристиками, все хорошо и просто. Например нужен нам мотор с повышенной тяговой характеристикой на низких оборотах. Берем длинноходную компоновку, напяливаем на нее головку с двумя клапанами на цилиндр для экономии, ставим впускной коллектор с патрубками большой длины, и выпускной коллектор схемы 4-2-1 метровой длины для экономии опять-же, и получаем трактор

Или опелевский С20NE, видим пик момента на 3000 об\мин. Хорошая тяга с низов. А что будет, если подправить фазы газораспределения, поставить распределительный вал, с более широкими фазами, да еще поставить головку, с 4 клапанами на цилиндр, впускной коллектор с более короткими патрубками, и выпускной коллектор 4-1? Получим мы знаменитый С20ХЕ

Видим, куда уполз крутящий момент, ах на 5000 об\мин, и дошел почти до 200Нм, а был 165. Почему так происходит? Потому-то резонанс. Вспоминаем тему про двухтактники и их выхлоп, то как сильно влияет на мощность резонансная характеристика выхлопной системы. Так вот в четырехтактнике все тоже самое, только на впуске. Наша главная задача, как можно больше затолкать воздуха в цилиндр, а при высоких скоростях вращения коленчатого вала, воздух становится похожим на кисель, с инерцией и массой. Во время впуска, когда впускной клапан открыт, во впускном патрубке образуется разряжение, и после закрытия клапана, в патрубок устремляется свежая волна воздуха, фронт высокого давления, и для качественного наполнения, нам надо открыть впускной клапан как раз когда фронт достигнет его тарелки, чтобы воздушная масса не снижая скорости прошла в цилиндр, если не успеем, она отразится от закрытого клапана и пойдет обратно, сильно ухудшив наполнение. Чем длиннее впускной патрубок, тем ниже его резонансная частота, и наоборот, поэтому низкооборотистые моторы имеют большой впускной коллектор, с раннерами большой длины, с низкой резонансной частотой.

Это впускной коллектор ЗМЗ-409, с очень длинными каналами, для улучшения наполнения на низких оборотах.

А на высокооборотистых моторах коллектор вообще практически отсутствует

Вот весь впуск мотоцикла yamaha R1. Вся его суть направлена на высокую пропускную способность и высокую резонансную частоту.

Но с тяговитыми и гоночными моторами понятно, а как-же сделать универсальный мотор, ведь люди хотят чтоб и низы были, и на верхах мотор не кис. Выход есть, и инженеры придумали системы изменения эффективной длины впускного тракта, для изменения его резонансной характеристики. Рассмотрим опять-же на примере опеля, они активно занимались этими делами в свое время. Итак, система Dual RAM, конец 80х

Эта система впуска содержала в себе по сути два впускных тракта, переключаемых заслонкой.

О которой мне придется рассказать в другой части, так как пикабу напомнил о максимальной длине поста, я тут ни при чем, правда) До встречи!