На гифке кстати нижнеклапанный мотор. Видим длительный процесс горения, из-за которого у нас есть непостоянство давления в цилиндре, и часть тепла улетает в трубу.

В дизельном двигателе процесс горения занимает время, необходимое для впрыска необходимой порции топлива. После впрыска происходит задержка воспламенения, вызванная процессом испарения распыленного топлива, после чего оно воспламеняется и горит пока происходит впрыск факела, факел в свою очередь вырываясь из камеры сгорания, равномерно прогревает не вступивший в реакцию воздух, благодаря чему рабочий процесс происходит при постоянном давлении. Добавляем к этому длинноходную геометрию и высокую степень сжатия и получаем большой крутящий момент. Бонусом мы получаем достаточно холодный выхлоп, так как более эффективно используем полученное тепло. Дизельные двигатели имеют наибольший КПД среди поршневых двигателей, достигающий 35-50%.
Однако в тоже время дизельное топливо горит довольно медленно, и для его воспламенения требуется определенное время, что в купе с длинноходностью не дает им развивать большие обороты, и на высоких частотах вращения топливо не успевает сгорать, из-за чего приходится уменьшать его количество, теряя производительность.

Изначально Рудольф Дизель подумывал кормить свое детище угольной пылью, однако высокие абразивные свойства такого топлива загубили идею на корню. Первые моторы использовали в качестве топлива различные растительные масла, мазут, и даже сырую нефть. Вообще дизельный мотор может съесть любое топливо, главное, чтобы оно горело, разумеется с определенными ограничениями.

В первых конструкциях впрыск топлива в камеру сгорания осуществлялся пневматическим способом, при помощи отдельного компрессора, что делало дизель очень тяжелым, габаритным и очень мешало его распространению. Рудольф Дизель поплыл на пароходе в Лондон  в 1913 году на открытие фабрики по производству моторов, и зачем-то утопился, а вот Роберт Бош сел, подумал, и в 20-х годах создал первую форсунку не требующую для работы сжатого воздуха, и модернизировал топливный насос высокого давления (ТНВД), после чего детище Дизеля начало свое победное шествие по миру.

Первое время они были тяжелыми и тихоходными, некоторые конструкции требовали долгого прогрева паяльной лампой перед пуском, правда такие моторы назывались калоризаторными, так как имели калильную камеру, которую необходимо было нагревать

Это двухтактный калоризаторный двигатель. Калориферная головка под номером 1.

Тут надо сделать ремарку, так как над дизелем работали не только в Германии.
Инженер Густав Тринклер (опять немцы), работавший на Путиловском заводе в Санктъ-Петербурге, аж в 1898 создал форкамерный дизель с гидравлической системой впрыска, опередив Роберта Боша на 20 лет. По сути он создал одну из современных вариаций мотора, однако под давлением патентных споров работы заставили свернуть в 1902 году, а жаль.

В 30-х годах двадцатого века дизель стал очень стремительно развиваться, применяясь в самых неожиданных местах и в самых разных вариациях. При чем в отличии от бензиновых моторов, двухтактная схема получила поистине огромное распространение, и самое смешное то, что самые большие дизельные моторы были как правило двухтактные!

Но двухтактная схема получила несколько иную реализацию, нежели в случае с бензином. Картерная продувка практически не использовалась, зато были две свои отдельные компоновки продувки:
1. Оконная или щелевая
2. Клапанно-щелевая

В первом варианте как впуск, так и выпуск осуществляется через окна в цилиндре, так как двухтактные моторы в подавляющем большинстве оснащаются компрессорами, продувка цилиндра осуществляется достаточно эффективно, однако при такой схеме очень тяжело организовать качественное итоговое наполнение цилиндра, так как впускные окна закрываются раньше выпускных в моторах с одним коленчатым валом, и эта фраза здесь не просто так.
Сумрачный немецкий гений придумал компоновку, сохраняющую качественную продувку без применения клапанов, да еще и прикрутил ее к самолету, мотор звали Junkers YUMO 205.
У этого мотора было 6 цилиндров, 12 поршней и два коленчатых вала, поршни двигались в цилиндрах навстречу друг другу, сжимая между собой воздух, в это пространство, посередине цилиндра и впрыскивалось топливо, одна группа поршней открывала выпускные окна, вторая группа открывала впускные окна, при этом выпускные окна закрывались раньше впускных, что позволяло создать избыточное давление на такте продувки и качественно очистить цилиндр от отработавших газов. Мотор отлично себя показал, развивая весьма большую мощность.

Нашим инженерам после войны тоже понравилась такая компоновка, и в 1953 году наши создали семейство двигателей Д100, которые долго ставили в тепловозы, а в 1956 году Харьковские конструкторы вывели компоновку в абсолют, создав двигатель 5ТД, в 1968 доработав его до 5ТДФА для танка Т64. При рабочем объеме всего в 13.6 литров он выдавал мощность до 1000 лс в некоторых модификациях, и в отличии от предков был сверхкомпактным и оппозитным.

Схема его работы была примерно такой

За характерный звук, танкисты прозвали его мотоциклом, а за характерный вид - чемоданом.
Однако его сложность и дороговизна его погубила, эти моторы часто выходили из строя по вине экипажа.

Впрочем наши от немцев старались не отставать, и в 1935 году тоже создали авиационный дизель, только четырехтактный, 12 цилиндровый, V-образный, с 4 клапанами на цилиндр, системой газораспределения DOHC с двумя распредвалами на головку и двойным турбонаддувом. Вы наверно уже знаете, о ком я) Это АН-1, который вскоре эволюционировал в АЧ-30

Параллельно с ними, по схожей концепции был создан легендарный танковый мотор В-2, который вы прекрасно знаете)

Также двухтактная компоновка не обошла стороной и самые большие на земле поршневые моторы, это судовые дизеля. Только сделаны они немного по другой схеме, называется она - крейцкопфная компоновка.

Слева. Крейцкопф (номер 10), представляет собой ползун, двигающийся по собственным направляющим, без воздействия высоких температур, с поршнем он соединен прямой штангой, и в такой конструкции поршень не испытывает боковых нагрузок, что позволяет сделать его площадь меньше и понизить потери на трение. Такая компоновка применяется только в очень больших дизелях из-за огромного хода поршня, достигающего трех метров.
И тут мы подошли ко второму виду двухтактных дизелей - с клапанно-щелевой продувкой.
Как видим, у таких машин в головке присутствует выпускной клапан, а впуск осуществляется через впускные окна, благодаря чему продувка осуществляется в идеальном направлении - снизу вверх.

Такая продувка использовалась не только на тихоходных судовых дизелях. Она попадалась и в довольно быстроходных моторах, таких как ЯАЗ-204 и ЯАЗ-206. С рабочего объема 4.6л получали до 160 лс, мотор был двухтактным, клапанно-щелевой продувки, с нагнетателем типа "Рутс".  В двигателе были применены индивидуальные ТНВД, что стало предтечей насос-форсунок.

Двухтактные дизельные моторы стремительно захватили мир, и стремительно его покинули. С 1960 годов их количество очень быстро падало, и они были вытеснены четырехтактными моторами. На данный момент двухтактная схема используется только в самых больших судовых дизелях мощностью от 20000 до 100000лс. Такие моторы как правило имеют прямой привод на гребной винт, и в двухтактной компоновке гораздо проще осуществить реверс для обратного хода.

Вот мы и узнали о становлении и возникновении всем известных дизельных моторов. В следующей серии разберем устройство некоторых узлов и перейдем поближе к современным конструкциям.

Выйдет следующая часть не скоро, времени совсем нет, пишу ночами, как видите, но я стараюсь) До встречи!

Во впускном коллекторе между двумя группами по три цилиндра установили воздушную заслонку с пневмоприводом, до 4000об\мин она закрыта, и коллектор имеет эффективную длину показанную красным цветом, на 4000 заслонка открывается и коллектор укорачивается до длины указанной зеленым цветом.

Как видим, резонансная частота увеличивется примерно вдвое. Интересно, а какой эффект? А вот такой

Весь подъем, выделенный красным, это выигрыш в крутящем моменте благодаря данной системе. Неплохо, для одной заслонки. Только зачем Немцы больше ста лет проектирующие моторы, гоняются за ненужным моментом, нипаняна.

Чуть позже данная система получила развитие, систему Multi RAM, на моторах V6, там уже было две заслонки, которые имитировали 4 длины впускного тракта.

На картинке черной линией нарисовал резонансную длину впускного тракта, которая добавляется к длине самих патрубков, ведущих от ресивера к головкам (около 15см).

В режиме холостого хода система находится с режиме сообщения двух камер ресивера. Система активируется в режиме полной мощности, на частичных нагрузках она "спит". При полностью открытом дросселе от холостых и до 3400 об\мин система переходит во второй режим, и максимально удлиняет коллектор, с 3400 до 4100 об\мин коллектор укорачивается вдвое, на оборотах более 4100 остаются только впускные патрубки, впуск максимально укорочен. Благодаря этой системе удалось поднять момент на низких оборотах без потери на верхних, сделать полку более ровной, без провалов. Сейчас такой коллектор стал популярным атрибутом на 4 цилиндровых моторах, у многих производителей, как недорогое дополнение к другим системам..

Это хонда

И даже автоваз соизволил прикрутить его к "новому" 1.8

есть еще всякие интересные системы, улучшающие смесеобразование на низких оборотах, когда скорость потока во впуске низкая, а вихревые потоки в цилиндре создавать надо, для более равномерного смешивания топливных паров и воздуха. Одна из таких систем - Twin Port, применяемая на моторах с 4 клапанами на цилиндр.

Суть проста, на низких оборотах заслонкой перекрывается один из каналов и у мотора из двух клапанов на впуске остается один, из-за чего в цилиндре создается завихрение, благодаря которому получаем более эффективное и полное сгорание.

Но помимо впуска у нас есть еще и выпуск, который так любят снабжать прямотоком без задней мысли. И резонансная характеристика выхлопа также важна ка и на впуске, хоть и дает меньший прирост в качестве наполнения цилиндров. С одноцилиндровыми моторами все просто, там одна труба, и главная ее задача - не создавать излишнего сопротивления и не возвращать волну к выпускному окну в режимах наиболее эффективной работы, на которые настроен впуск. Вообще впуск и выпуск настраиваются только сообща, так как есть такая весчь, как фазы газораспределения, в которых есть фаза перекрытия, это тот момент, при котором открыты оба клапана

Из диаграммы видим, что при прохождении поршнем верхней мертвой точки, на протяжении 46 градусов поворота коленвала, оба клапана приоткрыты и выпуск соединен с впуском, а в цилиндре сквозняк) В этот момент, нужно чтобы в приемной трубе присутствовало разряжение, а во впуске пришла резонансная волна, тогда выхлопная система в состоянии наиболее полно очистить цилиндр от остатков отработавших газов и помочь разогнать смесь во впуске.  Выпускные коллекторы, рассчитанные на низкий резонанс, имеют большую длину

Они лучше работают на низких оборотах, коллекторы для верхов короче

Сейчас производители можно сказать вообще не уделяют внимания на выхлоп в гражданском исполнении, ибо экологи прикрутили на всех катколлекторы, которые заставили забыть про настройку выхлопа.

Производители быстро наигрались изменением конфигурации впускного тракта, и надо было идти дальше. У тут началась эра изменяемых фаз газораспределения. Понапридумывали их также много, и все обозвали их своими именами. У BMW это VANOS, у хонды VTEC, у тойоты VVT-i и так далее. В основной массе эти системы представляют собой составные, гидравлически управляемые шкивы распределительных валов, которые позволяют проворачивать распредвал относительно шкива и изменять фазы газораспределения, для наиболее качественного наполнения цилиндров. В первых версиях данной системой оснащались только впускные распределительные валы, позже их стали ставить и на выпуск.

На фото тойотовская VVT, видно две части шкива, которые могут вращаться друг относительно друга при наполнении маслом одних или других полостей, также видно подпружиненный штифт, который блокирует движение механизма при отсутствии давления масла, например при запуске. Так для чего изменять фазы?

На низких оборотах клапан открыт продолжительное время и наполнение происходит хорошо, но для его улучшения нужно закрыть впускной клапан не через 64 градуса после нижней мертвой точки, как на диаграмме выше, а раньше, чтобы поршень не вытолкнул часть смеси обратно во впуск, а на высоких оборотах наоборот, нужно дольше держать клапан открытым, чтобы движущаяся с большой скоростью воздушная масса успела по инерции больше натрамбовать цилиндр. В купе с изменяемым впускным коллектором это дает большой эффект, а выпускным распредвалом регулируется фаза перекрытия, меньше на низких оборотах и больше на высоких.

Хонда пошла другим путем, со своей системой VTEC, у нее на распредвалах есть отдельный кулачек и отдельный рокер, эта система уникальна тем, что в двигателе одновременно присутствует по сути два комплекта разных распредвалов, низовые и верховые. Если системы изменения фаз газораспределения могут только смещать фазы, но не могу изменить их ширину и величину поднятия клапана, на системе VTEC можно одномоментно сменить всю конфигурацию механизма ГРМ, и это действительно уникальное изобретение

Как видим, при низкой частоте вращения коленчатого вала, задействованы кулачки с узкой фазой и небольшим подъемом клапана, третий кулачек и его рокер не связаны с системой. При достижении определенных оборотов, штифт соединяет все три рокера воедино, и управление на себя берет третий кулачек, с широкой фазой, по сути в двигателе меняется распредвал. Кто ездил на хондах с VTECом, чувствовали этот лютый подрыв, когда включается "втык". Благодаря ему, хондовцы создают моторы с хорошими низами и крутящиеся до бешеных оборотов. А систему свою запатентовали вдоль и поперек)

BMW тоже пошли своим путем, и помимо VANOS, создали систему управления высотой подъема клапанов, под названием Valvetronic, хитроумных ход позволил полностью избавиться от дроссельной заслонки, отныне наполнение регулируется только подъемом клапана

Хитроумная система с электроприводом, может пододвигать и отодвигать промежуточный рычаг к распредвалу, изменяя его диапазон перемещения, а вместе с ним и высоту поднятия клапана.

Ну, теперь можно перейти к системам управления двигателем.

Их рождение было довольно мучительным, полным поисков. Все началось с элементарной замены карбюратора на топливную форсунку, что обозвали моновпрыском. Только кто-то пошел по нормальному пути, создав электронную систему, а кто-то нагородил механических вундервафлей. Сейчас напугаю старых мерсофилов и ваговодов одним словом - KE-Jetronic! Сколько выпил крови этот унитаз у честных людей.

На фото распределенный джетроник.

Но не будем о механике, эта ветвь сразу оказалась тупиковой и никакого развития не получила. Зато неплохо пошел электронный моновпрыск, например Siemens Multec IEFI-6. В принципе полноценная система с датчиком положения коленчатого вала с полноценным реперным диском 60-2, датчиком абсолютного давления во впускном коллекторе, одной форсункой над дроссельной заслонкой и циркониевым датчиком кислорода. Система в одном блоке включала и систему управления зажиганием, В блоке не было силовых выходных каскадов, поэтому ЭБУ управлял катушкой зажигания через отдельный коммутатор.

Система включала в себя следующие датчики и устройства:

1. Датчик положения коленвала

2. Датчик абсолютного давления (MAP сенсор (Manifold Absolute Pressure))

3. Датчик кислорода

4. Датчик температуры охлаждающей жидкости

5. Датчик положения дроссельной заслонки

6. Шаговый мотор регулировки холостого хода

7. Датчик скорости машины.

Блок управления был единым, выполненным в одном корпусе и имел систему самодиагностики и шину связи К-Line

Система позволила полностью автоматизировать управление двигателем, точно регулировать опережение зажигания по нескольким картам, каждая для своего режима, а также точно регулировать состав рабочей смеси по отдельным топливным картам. Все функции карбюратора взял на себя корпус дроссельной заслонки с одной топливной форсункой, топливо к которой подавалось электрическим топливным насосом находящимся в баке, подающим топливо под давлением 0.75 атмосферы, давление регулировалось мембранным регулятором давления, и было постоянным, лишнее топливо по обратной магистрали сливалось в бак.

Карта опережения зажигания выглядит примерно так

Топливная карта выглядит так

Зная производительность топливной форсунки ЭБУ корректировал длительность ее открытия для точного дозирования количества впрыскиваемого топлива.

Датчик положения коленвала по реперному диску давал информацию в ЭБУ об угле поворота коленвала, это единственный жизненно необходимый датчик, при потере которого запуск и работа двигателя были невозможны. По датчику температуры охлаждающей жидкости ЭБУ корректировал состав смеси в сторону обогащения при запуске холодного двигателя, а также запускал и оканчивал прогревочный режим работы.

Датчик положения дроссельной заслонки отвечал за переключение эбу в режимы холостого хода, частичной и полной нагрузки, датчик абсолютного давления давал данные о расходе воздуха, шаговый мотор холостого хода регулировал подачу воздуха в режиме ХХ, на циркониевый датчик кислорода ЭБУ подавал опорное напряжение в 0.45В, при отсутствии кислорода в выхлопных газах датчик отклонял это напряжение в сторону 1В, что говорило о богатой смеси, при появлении кислорода датчик отклонял напряжение в сторону 0.1В, что говорило о бедной смеси, по данным датчика ЭБУ осуществлял коррекцию времени впрыска по фактическим данным, отклоняя ее туда-сюда, держа среднюю нормальную смесь. Система получилась удачной, простой и надежной, однако одна форсунка позволяла ставить ее только на малолитражные моторы и не давала точно контролировать состав смеси, плюс имела некоторую инерционность.

Вторым этапом были системы распределенного параллельного впрыска, яркий ее представитель - Bosh Motronic ML4.1. Эта система обзавелась индивидуальными форсунками на каждый цилиндр, выросло давление топлива до 2.7 атмосфер, которое при открытии дросселя автоматически поднималось до 3 атмосфер, что позволило готовить более качественную смесь, особенно после того как форсунки обзавелись двумя, а затем и четырьмя дюзами, что улучшало распыление топлива. Однако форсунки были запараллелеными и срабатывали одновременно. Датчик абсолютного давления уступил место датчику объемного расхода воздуха ДОРВ (VAF, Volume Airflow Sensor), в остальном система повторяла моновпрыск, за исключением того, что коммутатор переехал в блок управления двигателем.

ДОРВ

Датчик положения дроссельной заслонки был кастрированным, и по природе был выключателем на три положения - холостой ход, частичная нагрузка, полная нагрузка.

Третьим этапом были системы с попарно-параллельным впрыском, где форсунки группировались попарно или в две группы по три на 6 цилиндрах. Некоторые версии оснащались датчиками детонации, которые помогали вовремя распознать детонацию и сделать откат опережения угла зажигания. Датчик положения дросселя стал нормальным, резистивным. Датчик кислорода обзавелся подогревом и был перенесен в конец приемной трубы. Схемотехника блока стала новее и быстрее. Пример такой системы - Bosch Motronic 1.5

Далее все стало серьезнее, появился фазированный впрыск. То есть управление форсунками происходило индивидуально для каждого цилиндра, распределитель уступил место модулю зажигания с двумя или тремя катушками, ДОРВ уступил место более совершенному ДМРВ (MAF Mass Air Flow sensor) или датчик массового расхода воздуха с датчиком температуры впускного воздуха. Смесь то у нас считается в массовом соотношении, поэтому данные об объеме были не совсем актуальными, плюс ДМРВ не мешает воздушному потоку. Появился датчик фаз, по которому ЭБУ вычислял рабочий такт в первом цилиндре, это необходимо для фазированного впрыска. При выходе из строя ДПРВ, ЭБУ переходил на попарно-параллельный впрыск с соответствующей ошибкой. Эти системы сделали настоящий рывок и такой ее представитель, как Bosch Motronis 2.8, был лицензирован, обозван Январем 5.1-41, и еще долго колесил по нашим дорогам в чреве лад, а тюнингерам пришелся по душе за гибкость настроек. Такие системы позволили весьма точно управлять двигателем, и вплотную приблизились по возможностям к современным системам.

Систем впрыска на самом деле было великое множество, у каждого свои, но общие принципы были одни и те-же.

И снова подкрался лимит. Продолжение на следующей неделе. Надеюсь, вам все еще интересно. До встречи!

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!