В принципе, все четырехтактные двигатели похожи, они отличаются только расположением и приводом впускных и выпускных клапанов. Как и многое другое в мотоцикле, стремление достичь высоких скоростей и мощностей привело к существенному усовершенствованию четырехтактного двигателя. Ниже рассмотрены различные схемы, начиная с нижнеклапанной, которая, несмотря не то, что во многом устарела, послужит для демонстрации степени развития современных конструкций с верхним распредвалом.
Нижнеклапанный механизм газораспределения (SV)[]
Конструкция нижнеклапанного механизма
Нижнеклапанный двигатель является относительно простой реализацией четырехтактного цикла, в нем используется минимум деталей для передачи усилия от распредвала к клапану. Привод распредвала осуществляется шестеренчатой или цепной передачей, расположенной рядом с коленчатым валом. Кулачки опираются на толкатели. которые представляют собой короткие штанги, перемещающиеся параллельно оси цилиндра. В этих штангах есть регулировочные винты с контргайками, при помощи которых можно изменять длину для обеспечения требуемого зазора в клапанах между толкателем и стержнем клапана. Такое расположение клапанов означает, что они находятся в выступе камеры сгорания сбоку от цилиндра, а не в головке, как в других четырехтактных двигателях.
Скорее всего, нижнеклапанный двигатель - самый простой и дешевый из четырехтактных двигателей, и большинство английских и американских компаний широко использовали это в свое время, оснащая такими двигателями утилитарные или дешевые модели. Неудачная форма камеры сгорания, продиктованная расположением клапанов, которые находятся с одной стороны цилиндре, ограничивает КПД двигателя. В связи с этим нижнеклапанный двигатель развивает меньшую мощность и потребляет большее количество топлива по сравнению с аналогичным верхнеклапанным двигателем.
Неэффективность стала более явной при росте частот вращения двигателя, и традиционный нижнеклапанный двигатель эволюционировал в одноцилиндровый двигатель большого объема с относительно низкой мощностью. При оснащении его большими маховиками он развивает высокий крутящий момент при низких частотах вращения двигателя, в связи с чем был популярен у приверженцев мотоциклов с колясками. Эти эластичные и простые двигатели были особенно надежны, кроме того, их было очень легко ремонтировать, если возникали какие-то проблемы.
Упадок нижнеклапанных двигателей пришелся на годы после Второй Мировой войны, с появлением современных материалов и технологий производства. Наряду с более конкурентоспособной конструкцией OHV, нижнеклапанный двигатель исчез из мира мотоциклов, но по прежнему его можно встретить на газонокосилках и подобных машинах, где простота и дешевизна перевешивают любые другие факторы.
Верхнеклапанная конструкция. Механизм газораспределения (OHV)[]
Конструкция механизма OHV
Строго говоря, термин "верхнеклапанный двигатель" охватывает все четырехтактные двигатели, конструкция механизма газораспределения которых отличается от нижнеклапанной. Однако обычно не применяется в отношении двигателей с верхним распределительным валом (SOHC и DОНС), а используется для обозначения верхнеклапанных двигателей с нижним распредвалом и толкателями.
В верхнеклапанном двигателе применяются длинные штанги, проходящие через туннель в блоке и головке цилиндров, расположенный в приливе головки цилиндра невдалеке от стержней клапанов. Толкатели и торцы стержня клапана связаны короткими коромыслами, которые могут вращаться на оси. Регулировка зазора в клапанах производится при помощи как винта и контргайки на одном из плеч коромысла, так и толкателя телескопического типа, длину которого можно изменять. По конструкции верхнеклапанный двигатель очень близок к нижнеклапанному, хотя у первого множество преимуществ, главным из них является независимость при проектировании формы камеры сгорания. Во многих отношениях полусферическая камера сгорания является идеальной, и верхнеклапанная конструкция с расположением клапанов под углом к вертикали образует высокоэффективную форму камеры сгорания. Такое расположение клапанов способствует эффективному газообмену и более полному сгоранию топливовоздушной смеси. Эта основная компоновка двигателя OHV хорошо зарекомендовала себя за несколько десятилетий, но сегодня ее вытеснили верхневальные конструкции (за исключением нескольких моделей, которые все еще находятся в производстве).
Стремление повысить мощность неизбежно привело к снижению ограничений по конструкции, сначала на спортивных, а позже и на дорожных мотоциклах. При заданной форме камеры сгорания один из способов достижения большей мощности двигателя заключается в повышении скорости его работы, то есть числа оборотов, и, следовательно, количества рабочих ходов в минуту. При повышении частоты вращения двигателя ряд технических ограничений начинает вызывать затруднения, особенно в узлах клапанного механизма. При работе двигателя на высоких частотах вращения прочность толкателей, штанг и коромысел должна быть достаточной для того, чтобы выдержать возросший уровень нагрузки, К сожалению, увеличение прочности неизменно приводит к росту веса, а это уже служит причиной других проблем.
По мере того, как кулачок распредвала поднимает толкатель и штангу, открывая клапан через коромысло, скорость перемещения этих узлов постепенно увеличивается. До достижения определенной скорости проблем не возникает, но как только скорость превышает значение скорости, заданное конструктивными параметрами данного двигателя, вес узлов клапанного механизма становится таким, что они не могут достаточно быстро отслеживать профиль кулачка. В этот момент клапана начинают "зависать", несмотря на усилие возвратных пружин. Мало того, что это ограничивает частоту вращения двигателя, зависание клапанов приводит к риску изгиба или смещения штанг толкателей, а в отдельных случаях - риску выхода впускных и выпускных клапанов в камеру сгорания. Если это происходит, то в следующий момент, когда поршень достигает верхней мертвой точки, он ударяет по клапанам, что приводит к серьезным повреждениям. Одним из решений является установка усиленных клапанных пружин, но это вызывает усиление трения, снижение мощности и приводит к ускоренному износу. Кроме того, это может привести к вибрации (отскоку) клапана. Узлы клапанного механизма можно облегчить, но одновременно с этим происходит их ослабление. Альтернативой может быть использование специальных материалов для производства узлов, но, несмотря на то. что они будут легче и прочнее, их стоимость сильно возрастет.
Из вышеописанного можно сделать вывод, что конструкция нижневального двигателя с толкателями (OHV) эффективна для многих целей, но там, где необходимо достижение высокой мощности и частоты вращения, она имеют ограниченное применение. Там, где применяется такая схема, например, на прочном и долговечном одноцилиндровом двигателе Honda CG125 или на V-образных двухцилиндровых двигателях Moco-Guzzi, получающаяся в результате машина - простая и надежная "рабочая лошадка*, хотя и не отличающаяся выдающимися характеристиками.
Преимущество использования вышеописанной схемы на V-образном двигателе состоит в том, что используется только один распредвал - деталь, которую относят к числу дорогостоящих. Но поскольку большинство V-образных двухцилиндровых двигателей используется на мотоциклах типа "чёпер" и "турер", скромные характеристики не беда. Во многих отношениях нижневальный двигатель с толкателями (OHV) на данный момент равноценен исчезнувшим нижнеклапанным двигателям.
Конструкция механизма газораспределения с одним верхним распредвалом (SOHC)[]
Чтобы преодолеть затруднения, вызванные увеличением веса узлов клапанного механизма, желательно устранить как можно больше деталей, двигающихся возвратно-поступательно. К ним относятся: толкатель, штанга, коромысло и сам клапан. В отношении толкателя и клапана мало что может быть сделано, кроме понижения их веса за счет тщательного выбора оптимальной конструкции и использования прочных, долговечных, но легких материалов. На спортивных двигателях, где затраты на производство не имеют значения, могут использоваться экзотические материалы типа титана, но для массового производства это неприменимо.
Единственное, что можно сделать, это перенести распредвал в головку цилиндров и избавиться от толкателя, а кулачки заставить работать непосредственно по закаленному подпятнику коромысла (рокера или рычага, как их иногда называют). Сама идея не нова, существует множество примеров довоенных четырехтактных двигателей с верхними распредвалами. В типичном двигателе с верхним распредвалом (SOHC) распредвал размещен в головке цилиндров между впускными и выпускными клапанами.
Устройство механизма газораспределения с одним верхним респределительным валом
На ранних спортивных двигателях привод распредвала осуществлялся коническими шестернями от вала, расположенного вертикально в блоке цилиндров. Стандартной схемой привода является цепная передача: зубчатое колесо, расположенное в середине или в конце коленчатого вала, огибает цепь механизма газораспределения, которая, в свою очередь, приводит в действие зубчатое колесо на распредвале. Кулачки распредвала воздействуют на короткие коромысла, которые, в свою очередь, управляют клапанами аналогично двигателю с механизмом газораспределения типа OHV. Единственными деталями, совершающими возвратно-поступательное движение остаются коромысла и клапана, так что конструкция все еще далека от совершенства, но уже намного лучше за счет отсутствия штанг и толкателей.
Регулировка зазора в клапанах осуществляется при помощи винта и контргайки в одном из плеч коромысла. Большинство современных четырехтактных двигателей основываются на схеме газораспределения SOHC - это проясняет, почему они способны спокойно работать при частотах вращения, на которых нижневальный двигатель разлетелся бы на части.
Конструкция механизма газораспределения с двумя верхними распредвалами (DOHC)[]
Механизм газораспределения DOHC четырехтактного двигателя представляет собой усовершенствование схемы SOHC и предназначен для устранения единственной оставшейся возвратно-поступательно движущейся массы - коромысел (хотя при этом придется вернуть толкатели). Вместо единственного центрального распредвала используется пара, размешенная непосредственно над стержнями клапанов.
ГРМ с двумя верхними валами
Для привода газораспределительного механизма используется цепной привод - наиболее традиционный и дешевый в изготовлении, хотя известна (но пока широко не распространена) конструкция, следующая за тенденциями в автомобильной промышленности, в которой вместо цепной передачи используются шкив и зубчатый ремень. Среди преимуществ ременной передачи можно перечислить следующие: они менее шумные, не растягиваются, как цепи, а шкивы не изнашиваются подобно звездочкам, хотя замену ремня следует производить чаще. Другой способ привода распредвалов используется на моделях VFR фирмы Honda и представляет собой зубчатую передачу с приводом от коленчатого вала. При использовании такой конструкции отпадает потребность в натяжителе; схема также работает тише цепной, хотя шестерни зубчатой передачи подвержены износу.
DOHC с регулировочными шайбами сверху
Толкатели распредвала, выполненные в форме "чаши", работают в расточках головки цилиндров. При использовании "чашеобразных" толкателей зазор в клапанах регулируется с помощью небольших круглых подкладок, называемых регулировочными шайбами. Поскольку сами шайбы выполняются нерегулируемыми, их необходимо заменять шайбами различной толщины до восстановления правильного зазора. На одних двигателях шайба практически совпадает с диаметром толкателя и устанавливается в гнездо, которое находится в верхней части толкателя; такую конструкцию называют "толкателем с регулировочными шайбами сверку". Шайбу можно заменить, удерживая толкатель в нижнем положении, при помощи специального приспособления так, чтобы образовался зазор между толкателем и распредвалом, достаточный для снятия и установки шайбы.
На других двигателях шайба намного меньше и располагается под толкателем в центре держателя пружины клапана. При этом она опирается непосредственно на торец стержня клапана; такую конструкцию называют "толкателем с регулировочными шайбами снизу". Таким образом, масса деталей, перемещающихся возвратно-поступательно, при использовании небольших прокладок снижается еще сильнее, но появляется необходимость демонтажа распредвала при каждой процедуре регулировки зазора в клапанах, что повышает стоимость и трудоемкость обслуживания. Для того, чтобы избежать трудностей, связанных с необходимостью применения специальных приспособлений или демонтажа распредвала, на некоторых двигателях с газораспределительным механизмом DOHC вместо "чашеобразных толкателей" используют небольшие легкие коромысла, на некоторых двигателях с подобной схемой коромысла снабжены традиционным регулировочным винтом и контргайкой. На других коромысла опираются на небольшую шайбу, расположенную по центру держателя пружины клапана, а сами коромысла установлены на валах, длина которых превышает ширину коромысла. Для удержания коромысла над клапаном на валу расположена пружина. Для замены регулировочной шайбы коромысла сдвигаются в сторону пружины так, чтобы шайбу можно было вынуть.
Схема DOHC допускает более высокие скорости вращения двигателя, чем SOHC, но даже в этом случае возможно зависание или вибрация клапанов при использовании широкой пружины. Чтобы избежать этого, на двигателях обычно используется две пружины вместо одной, при этом пружина меньшего диаметра устанавливается в пружину большего диаметра. Существуют два довода в пользу этого: во первых, малая пружина ускоряет закрытие клапанов, а во вторых, из-за различных резонансных частот пружин снижается вероятность вибрации. Также могут использоваться пружины переменной жесткости (витки пружины с одного конца располагаются ближе друг к другу, чем с другого), которые обеспечивают переменную резонансную частоту при использовании одной пружины. На данный момент широко используется комбинация двух этих идей - установка двух клапанных пружин с переменным шагом навивки для каждого клапана. Необходимо устанавливать пружины с переменным шагом так, чтобы конец пружины, где шаг витков меньше, опирался на головку цилиндра (для снижения возвратно-поступательно движущихся масс).
При подведении итогов следует отметить, что в данный момент на мотоциклах верхневальные двигатели представляют собой наиболее распространенную конструкцию. Это ни в коем случае не говорит о том, что развитие прекратилось, хотя маловероятно, что в ближайшем будущем эта схема исчезнет. Дальнейшее совершенствование идет по пути улучшения существующей схемы за счет применения улучшенных технологий и современных материалов. Самая интересная разработка в области четырехтактных мотоциклетных двигателей - изменяемые фазы газораспределения, которая используется на данный момент в автомобильной промышленности, и ожидается ее появление на мотоциклах
Использование гидравлического привода в клапанном механизме[]
Иногда для устранения зазоре в клапанном механизме применяется гидропривод, таким образом, обеспечивается саморегулировка клапана ("Zero-lash" (нулевой зазор)). Система гидропривода клапанов впервые была применена на мотоцикле Honda СВХ750 1980 года выпуска, сейчас компания Harley Davidson использует ее на всем модельном ряде своих двигателей.
У данной системы есть два основных преимущества: автоматическая компенсация зазора в клапанном механизме, изменяющегося за счет теплового расширения и износа, а также снижение уровня шума. Кроме того, за счет поддержания нулевого зазора между узлами устраняются ударные нагрузки, снижаются износ и инерционность.
Система обеспечивает поддержание нулевого зазора между кулачком и толкателем за счет давления масла, перемещающего телескопическую штангу. Двигатель, на котором компания Honda применила эту систему, снабжен механизмом газораспределения типа DOHC с коромыслами. Гидравлический толкатель служит опорой для коромысла и удерживает его в постоянном контакте с кулачками распредвала. Компания Harey Davidson расположила свой гидравлический толкатель между кулачком распредвала и штангой. Гидротолкатели фирмы Honda состоят из корпуса толкателя, плунжера (который устанавливается внутри корпуса), пружины, (размещающейся между плунжером и корпусом) и управляющего шарикового клапана. Полость плунжера выполняет роль резервуара для масла.
По мере того, как распредвал вращается, и кулачки воздействуют на подпятник коромысла, плунжер перемещается в корпусе вниз и сжимает пружину. При этом давление масла в камера высокого давления повышается и заставляет шарик управляющего клапана опускаться на свое седло, размешанное в камере. При дальнейшем воздействии кулачка на коромысло давление в камере предотвращает любое взаимное перемещение толкателя и плунжера, следовательно,усилие передается к клапану, который при этом открывается. В момент соприкосновения вершины кулачка с коромыслом давление достигает своего максимального значения, крошечное количество масла выдавливается по зазору между плунжером и корпусом толкателя, которое не только смазывает их соприкасающиеся поверхности, но также частично способствует поглощению удара при максимальной высоте подъема клапана. Как только вершина кулачка минует коромысло, и клапана начнут закрываться, давление на плунжер снизится, что позволит освободиться пружине в корпусе толкателя. По мера того как это происходит, давление масла в камере понижается, открывая управляющий клапан и масло проникает из резервуара в камеру до ее полного наполнения. Плунжер поднимается, выбирая все зазоры между узлами механизма до достижения равновесия.
Цепной привод газораспределительного механизма, натяжители[]
Доводом в пользу применения цепного привода ГРМ, а не ремня или шестеренчатой передачи, может послужить низкая стоимость изготовления. Однако цепи вытягиваются по мере эксплуатации, и без устройства, поддерживающего необходимое натяжение, фазы газораспределения были бы неточными, и привод шумел бы при работе. В связи с этим все цепные приводы ГРМ оснащены натяжителем, воздействующим на провисающую ветвь цепи через "башмак". Кроме того, применяется направляющий башмак или успокоитель, располагающийся на натянутой ветви цепи, а на двигателях с газораспределительным механизмам DOHC устанавливается направляющая для верхней ветви цепи между звездочками распределительных валов. Определенное изначальное провисание цепи, заложенное в конструкцию цепного привода, полезно, поскольку оно намного облегчает процедуру демонтажа распредвала. Обычно периодически требуется вручную регулировать натяжитель для выбора всевозможного увеличения провисания. В настоящее время большинство натяжителей оснащены автоматической регулировкой с пружиной, воздействующей на плунжер храпового или винтового механизма.
Для ременного привода также необходим натяжитель, но он используется для обеспечения заданного натяжения только при установке ремня или обслуживании привода.
Улучшенные конструкции четырехтактного двигателя[]
Многоклапанные головки[]
Главная задача любого проектировщика двигателей заключается в повышении индикаторного КПД. Это означает увеличение мощности двигателя без увеличения его объема. Для этого необходимо, чтобы в камеру сгорания поступило большее количество топливовоздушной смеси: она должна сгореть наиболее эффективно, чтобы не пропал на один джоуль энергии топлива, и покинули цилиндр все отработавшие газы. Для достижения этого можно использовать карбюраторы с большим диаметром диффузора и снижать разрежение на впуске воздуха в двигатель, но только опредепенное количество смеси может пройти через клапан данного размера за данный промежуток времени. Так что очевидным решением является увеличение диаметра клапанов. Сложность заключается в том, что существует определенная площадь поверхности головки цилиндра, и дальнейшее увеличение клапанов ограничено этой площадью.
Чтобы решить эту задачу, конструкторы использовали два впускных клапана меньшего диаметра вместо одного большого, создав при этом трехклапанную головку. Два таких клапана обладают общей площадью поверхности большей, чем один большой клапан, и, хотя один клапан в отдельности легче, общая дополнительная масса возвратно-поступательно движущихся частей не перевешивает выгоды, связанной с ростом КПД. Еще одно преимущество от использования большего числа клапанов: каждый из них в отдельности меньше и легче, и, следовательно, они могут работать при более высоких скоростях с меньшей склонностью к зависанию или вибрации. Эта система предлагала определенные улучшения, и производители решили попробовать добавить еще один выпускной клапан. Так на суд общества была представлена четырех-клапанная головка (стоит отметить, что впускные клапана обычно слегка больше выпускных). Для привода многоклапанного механизма на двигателях с ГРМ типа DOHC требуется единственное изменение: необходимо использовать вильчатое коромыспо, которое одновременно соприкасается с двумя клапанами, или увеличить число кулачков на распредвале вдвое. Но в многоклапанных головках не обязательно использовать схему DOHC, альтернативой такой схеме могут служить двигатели компании Honda с четырехклапанной головкой и схемой механизма газораспределения SOHC (с вильчатыми коромыслами), а также V - образный двухцилиндровый двигатель СХ500 с толкателями и вильчатыми коромыслами.
Помимо очевидного преимущества - большей площади клапанов - многоклапаные головки привели к улучшению формы камеры сгорания и размещению свечи зажигания в наиболее предпочтительном месте - центре камеры, сгорания (в результате чего улучшается газообмен и сгорание становится более эффективным). Хорошим оригинальным примером такой камеры сгорания является запатентованная компанией Suzuki камера TSCC (двухвихревая камера сгорания). Классическая полусферическая форма камеры сгорания заменена камерой более плоской формы, а в области каждого седла клапана выполнена собственная миниатюрная полусфера. Поступающая в цилиндр смесь вовлекается в вихревое движение, способствующее и ускоряющее наполнение камеры сгорания. Для улучшения сгорания на многих двигателях применяют "сквэш-зону' (squish-zone) по периметру камеры сгорания, которая, направляет смесь внутрь и вверх к свече зажигания по мере подъема поршня. Тогда при сгорании смеси пламя быстро распространяется, и энергия топлива выделяется наилучшим образом для получения максимальной мощности.
Другое усовершенствование сделано в конструкции впускного тракта, который сужается по мере приближения к клапану. Это создает "эффект Вентури", благодаря которому коэффициент истечения увеличивается, в то время как канал, по которому смесь течет, сужается. Но это хорошо только тогда, когда форма клапана, который обтекает смесь, и форма камеры сгорания, куда она попадает, работают "в тесном сотрудничестве" для достижения полноценного эффекта.
Yamaha утвердила концепцию, на один шаг опережающую развитие многоклапанных головок, использовав пятиклапанную головку на FZR и YZF750, а также и на V-образном двигателе Genes, объемом l000 кyб.см. с углом развала блоков 20 градусов. Благодаря использованию пяти клапанов (трех впускных и двух выпускных) достигается максимальное использование площади камеры сгорания, заданной ограничениями, связанными с круглой формой клапанов. В результате индикаторный КПД получается выше по сравнению с четырехклапанной головкой. Единственный недостаток этой конструкции заключается в увеличении стоимости производства головки цилиндра и механизма газораспределения.
Использование многоклапанных головок тесно сопряжено с текущей тенденцией использования короткоходных двигателей с увеличенным диаметром цилиндра с целью достижения больших частот вращения двигателя. В короткоходном двигателе поршень должен пройти меньший путь до того, как он начнет свой следующий рабочий ход, а увеличение диаметра цилиндра приводит к увеличению камеры сгорания, в которой может разместиться больше клапанов. Рост диаметра цилиндра также приводит к увеличению поверхности днища поршня, то есть увеличивается площадь, на которую воздействует сгорающая топливовоздушная смесь.
Десмодромный привод клапанов[]
Возможно, внушительно названная десмодромная схема газораспределения - категорический ответ на сложности, связанные с вибрацией и зависанием клапанов. На всех традиционных четырехтактных двигателях клапан закрывается под воздействием одной или двух возвратных пружин. Можно изменить пружины для того, чтобы избежать вибрации или отскока клапана, а также проблемы зависания. Но любое изменение - только компромисс, обычно любые положительные эффекты всегда сопровождаются отрицательными.
Десмодромный привод клапанов избегает этих проблем за счет использования дополнительного распредвала для привода дополнительных коромысел, которые принудительно закрывают клапана точно так же, как и открывают их. Клапан открывается за счет воздействия открывающего коромысла на стержень. По мере того, как кулачок проходит точку максимального подъема клапана, и коромысло начинает освобождать клапан, закрывающее коромысло заставляет клапан закрыться. На более поздних версиях системы используется один распредвал со всеми необходимыми кулачками.
Практически десмодромный привод клапанов достаточно экзотичен и дорог для большинства серийно производимых мотоциклов. Он используется только компанией Ducati и приводит к хорошему эффекту, особенно в случае применения его на спортивных двигателях. Можно поспорить, нужен ли он на дорожных машинах - особенно с двигателями большого объема, максимальная частота вращения которых ограничена из других соображений. Что не является поводом для спора, так это эффективность, с которой десмодромный привод устраняет проблемы зависания и вибрации клапанов.