Итак, появилось чуток времени вечернего,  самое то поговорить о некоторых интересных конструктивных решениях в конструкции газораспределительного механизма поршневых моторов, работающих по четырехтактному циклу Отто.  Вспомним, как развивались эти механизмы и какие решения применялись наиболее массово.

Но сначала сформируем некоторый список требований, которым должен соответствовать идеальный механизм ГРМ, чтобы понимать, для чего применялось то или иное решение.

1. Механизм должен обладать хорошим КПД, то есть наиболее полно реализовывать отбираемую мощность на перемещения клапанов.

2. Механизм должен обладать малой инерционностью, дабы не потерять быстродействие.

3. Механизм должен обеспечивать качественное наполнение цилиндров и их очистку от отработавших газов.

4. Механизм должен иметь возможность динамически изменять такие параметры как фаза газораспределения, подъем клапана, время открытия клапана.

Это базовый набор требований, над реализацией которого инженеры уже больше ста лет ломают голову.

Например вспомним нижнеклапанную компоновку

Смотрим на предмет соответствия требованиям.

КПД неплох, отбор мощности происходит как правило зацеплением одной пары шестерен, Сам механизм достаточно легкий, плюс пружина не держит на себе вес клапана, инерционность тоже неплоха. А вот по поводу двух остальных требований есть вопросы. Если к четвертому требованию данный механизм еще можно адаптировать, по третьему его ждет полнейший провал, который перечеркнул все плюсы. Данная компоновка конечно прожила весьма долго, даже иногда использовалась в гоночных моторах, но те времена давно прошли. Более подробно мы это разобрали в предыдущих статьях.

Далее у нас идет верхнеклапанная компоновка OHV

Вспоминаем эту живущую по сей день, самую старую конструкцию.

Уже догадываетесь, насколько тут все плохо?

Жива эта компоновка только по той причине, что хорошо выполняет третий пункт, и является наиболее простым и дешевым способом установить клапаны сверху, так как головка цилиндра получается крайне простой, с минимальным количеством подвижных частей, крайне низкими требованиями к смазке, и не требующей высокой точности при изготовлении.  Благодаря чему возможно сделать мотор дешевым, достаточно мощным и экономичным, поэтому эта компоновка часто применяется в низкооборотистых моторах и различных газонокосилках.

КПД этой системы находится на приемлемом уровне, пока кто-то не попытается заставить ее работать быстро. Тут мы сразу упираемся в огромную инерционность. Чтобы достичь быстродействия, необходимо увеличивать жесткость клапанных пружин, из-за чего начинает падать в пропасть КПД, начинают проявляться резонансные явления связанные с изгибанием штанг и дабы их избежать, приходится штанги усиливать, еще сильнее увеличивая вес. Выходит замкнутый круг.

А благодаря простоте и неприхотливости, данный механизм очень долгое время даже оставался полностью снаружи двигателя, особенно в мотоциклетных моторах.

Это совсем не добавляло надежности, плюс издавало много шумов, это породило некоторые интересные изыскания, такие как гильзовый механизм газораспределения, или двигатель Найта.

В этом двигателе не использовались клапаны, вместо них использовались две вложенные друг в друга подвижных гильзы, которые имели прорези в верхней части. Смещаясь друг относительно друга гильзы открывали впускные или выпускные окна.

Моторы с двумя гильзами работали по четырехтактному циклу. Но также были и варианты моторов с одной подвижной гильзой, работавших по двухтактному циклу. Схематично видно на гифке.

Эти моторы обладали рядом преимуществ, благодаря которым получили весьма широкое распространение до 40х годов прошлого века.

Первое преимущество это литровая мощность. Щелевая продувка обладала высокой пропускной способностью, что позволяло получать высокую литровую мощность. Так как в то время в конкурентах были только тихоходные нижнеклапанные моторы и довольно корявые OHV.

Второе преимущество это тихая работа. Шумный механизм ГРМ фактически отсутствовал, поэтому снаружи оставался только шелест ремней и звук выхлопа. Также эта система не требовала технического обслуживания и была весьма надежной. Все эти качества позволили данной схеме добраться до авиационных моторов, например Rolls-Royce и Napier снимали с таких моторов больше 3000 лошадиных сил.

Дороговизна и сложность моторов ограничила их использование автомобилями высокого класса, их использовали Daimler, Willys, Mercedes, Peugeot, Voisin, Panhard-Levassor и тд.

Крест на этой компоновке поставила их любовь к поеданию масла, и нерешенные проблемы с обеспечением смазкой плавающих гильз, также проблемы с долговечностью вызывали окна во внутренней гильзе, которые провоцировали повышенный износ поршневых колец, что присуще двухтактным моторам. А так компоновка имела много вариаций, таких как одногильзовая схема, в которой гильза не только движется продольно, но и поворачивается

Этот вариант конструкции позволил расположить впускные и выпускные окна в одной гильзе, а за счет поворота она могла открывать те или иные окна. Это единственный вариант одногильзовой компоновки и четырехтактного цикла, позже эта конструкция ушла в авиацию, а придумала ее фирма Argyll в 1912 году.

Классические схемы газораспределения тем временем не дремали, и похоронили дорогую и неэкономично-неэкологичную гильзовую систему.  Появились системы OHC и DOHC, которые мы уже подробно рассматривали, однако основные проблемы никуда не делись, и если в гражданском использовании они оказывали малозначительное влияниие, то на спортивных моторах такая проблема, как подвисание клапанов на высоких оборотах, никуда не делась.

Чтобы клапаны не подвисали, приходилось идти разными путями.

1. Снижение массы подвижных частей механизма, облегчение клапана, тарелок, толкателей.

Но любое облегчение несет за собой снижение прочности, которое имеет свои пределы, так как клапан помимо прочности должен обладать и теплоемкость, дабы исключить его перегрев, тут даже не всегда спасает применение таких недешевых материалов как титан.

2. Увеличение жесткости клапанных пружин. Это влечет снижение КПД, увеличивает нагрузку на привод и сильно снижает ресурс. Для понимания того, что происходит под клапанной крышкой на 16000 оборотов, предлагаю посмотреть видео.

Чтобы обойти стороной эти негативные моменты, был придуман десмодромный привод клапанов, который использует в своих моторах компания Ducati.

Принцип этой системы весьма прост, клапанные пружины в этом механизме отсутствуют, вместо них на каждый клапан устанавливается по два рокера, один открывает клапан, а другой закрывает, каждый рокер приводится в действие собственным кулачком на распределительном валу, который имеет соответствующий профиль, который у них различается зеркально.

Данный механизм решает сразу много задач. У него прекрасный КПД, так как отсутствует расход энергии на упругие элементы, у него отсутствует инерционность вообще и он позволяет сохранять фазы газораспределения эталонными на любых режимах и оборотах. Отсутствует лишь возможность управления высотой подъема клапана и временем его открытия.  Механизм нашел себя только в спорте и мотоциклах. Его использовал в своих гоночных моторах Mercedes, а сейчас его можно найти только в мотоциклах Ducati, которые славятся характерным звуком работы мотора, который все описывают по-разному, но примерно как "будто роботы еб.тся".

Было много вариаций и фантазий насчет данной конструкции, она долго не давала спокойно спать инженерам и конструкторам. Вот навскидку.

Десмодромный привод всем хорош, кроме его цены. Он требует прецизионной точности изготовления, сложен в регулировке, требователен к смазке, шумный, поэтому его и не встретить на гражданской технике приземленного ценового диапазона.

Тем временем пришла эра электроники, и ее быстро прикрутили к традиционному газораспределительному механизму, сделав фазовращатели, которые мы уже рассматривали. Получив возможность на лету менять фазы газораспределения, удалось сильно повысить отдачу моторов и сделать их очень эластичными, однако некоторые компании решили пойти чуть дальше. Так, компания BMW решила управлять еще и подъемом клапанов, придумав систему Valvetronic, которой пользуется до сих пор наряду с аналогичными системами у других производителей. Даже корейцы прикрутили подобную систему к своим чудомоторам)

Принцип системы прост, они сделали привод впускных клапанов через промежуточный рокер, у которого можно менять положение опоры с помощью сервопривода.  Вкупе с фазовращателем удалось контролировать жизнь клапана в весьма больших пределах. Однако длительность фазы отдельно контролировать все еще осталось невозможно, да и увеличился вес подвижных элементов. Зато данная система позволила полностью избавиться от дроссельной заслонки, что повлекло за собой улучшение наполнения и снижение насосных потерь.

А теперь на закуску о прорыве в этой теме, который произошел в последние 20 лет, в течении которых компания Koeniggsegg разрабатывала свою революционную систему Freevalve.

А система действительно революционная. Так как она удовлетворяет всем критериям идеального ГРМ.  Здесь нет распределительных валов и их привода, благодаря чему мотор становится сильно компактнее, а головка блока цилиндров и вовсе становится миниатюрной.

Первоначально системой Freevalve собирались оснащать моторы Saab, но контора загнулась. А ведь одной установкой этой системы характеристики мотора поднимали на 30%, а расход на 30% снижался! А это очень много.

Принцип действия прост как все гениальное, открытие клапанов осуществляется электромагнитами, закрытие клапанными пружинами, но необычными, на пружинах имеются миниатюрные пневмоподушки, позволяющие менять жесткость пружины в широких пределах, а положение клапана отслеживается с очень высокой точностью.

Что это дало? А очень многое. Теперь каждый клапан можно открыть на любую высоту и на любое время и на любых оборотах. Что позволяет сделать по-настоящему универсальный мотор, что и показывают их суперкары, у которых 1500лс и одна передача)

Данная система позволяет менять фазы газораспределения в любых пределах, также она позволяет отключить любое количество цилиндров с наименьшими потерями,  можно реализовать и цикл отто и цикл аткинсона по желанию, а также некоторые другие циклы,  можно динамически менять степень сжатия, и даже реализовать дизельный и бензиновый мотор в одном флаконе. Это действительно современное и высокотехнологичное решение. Вопрос в применении которого пока остается лишь за стоимостью, которая однако может сильно упасть в случае массового производства. Но если это случится, поршневые двигатели буквально получат второе дыхание, и они очень сильно изменятся.  А в купе с новыми гибридными технологиями возможно получится создать поистине эффективные силовые установки.  Я думаю, что это вершина эволюции поршневых ДВС, и их последняя ступень. Больше совершенствовать попросту нечего. 

Ну, думаю на сегодня хватит, спасибо за интерес!