Перейдем к следующей обширной теме, к 4-тактным бензиновым ДВС. Но для начала пара дополнений к предыдущей теме по двухтактникам.
Про мощностной клапан.
В процессе совершенствования конструкции двухтактников, инженеры пришли к использованию полуволновых резонаторов, как самого эффективного типа резонатора в выхлопной системе двухтактника. С его помощью удалось получить просто нереальные показатели литровой мощности, так, на мой взгляд самый безумный двухтактный мотор, созданный человеком, это Honda NSR500, поллитровый четырехцилиндровый малыш, в 1989году выдавал 190 лошадиных сил при 14000 об\мин, выпускная система этого двигателя выглядела слегка инопланетно
На картинке видно четыре полуволновых резонатора, по одному на цилиндр, у каждого резонатора присутствует оконечный прямоточный глушитель, иногда, для компактности его загибают на 180 градусов, такую гравицапу в народе прозвали саксофоном)
Мощность инженеры получили, однако осталось одно но, это узкий диапазон резонанса выхлопной системы, что означало то, что мотор выдавал максимальные характеристики в очень узком диапазоне оборотов. К примеру с 12500 до 14000, при отклонениях от этих цифр эффективность довольно сильно снижалась. Надо было как-то сделать выпускную систему "резиновой", и тут наметились два пути:
1. сделать выпускную систему, способную изменять свою резонансную частоту.
2. добавить возможность изменять фазы газораспределения
Первый вариант не прижился, его попыталась реализовать фирма Konig, на своих лодочных моторах, они особо не мудрствовали и сделали центральную цилиндрическую часть полуволнового резонатора телескопической, управляемой сервоприводом, получился эдакий двухтактный VVT-i, но устройство получилось сложным, тяжелым и не надежным, хотя позволило изрядно растянуть полку мощности и момента, например на 7000 об\мин, мощность удалось поднять с 52 до 65 лошадиных сил, что очень не мало.
Второй вариант плотно овладел умами инженеров в 70х-80х годах, тогда и был в общем-то придуман мощностной клапан. Его применение нацелено как раз на второй путь, то есть на изменение фаз газораспределения, но так как изменить высоту выпускного окна не возможно, дырка она и есть дырка, инженеры придумали, как обмануть резонанс, и понаделали множество интересных конструкций, обозвав их своими именами. Ямаха обозвала его YPVS и его мы и рассмотрим, как самый простой
Они не стали мудрствовать и установили у выпускного окна цилиндрическую заслонку с вырезом. А вот зачем?
На низких оборотах резонанс играет с нами злую шутку, обратная волна, вернувшаяся слишком рано, мало того, что мешает продувке цилиндра, так еще и набивает его отработавшими газами, и дабы этого избежать, нам нужно сократить фазу выпуска, или проще, уменьшить высоту выпускного окна, дабы вернувшаяся волна встретила на своем пути поршень, а не открытое окно, для этого у окна поместили заслонку, которая сужает сечение канала с верхней стороны на низких оборотах, отражая верхнюю часть фронта высокого давления и направляя его в нижнюю часть окна, прикрытую поршнем, элегантное решение позволило значительно улучшить продувку цилиндра на низких оборотах, а на высоких заслонка полностью освобождает канал.
Сузуки со своей системой SAEC пошли немного по другому пути
Они добавили в головку цилиндра резонансную камеру, которая соединяется с выпускным каналом поворотным цилиндрическим золотником. Такая система позволила изменять эффективную резонансную характеристику выпускного тракта, все для достижения тех-же целей, однако мне эта система нравится меньше)
Японцы из кавасаки сделали те-же яйца, только в другой руке, пропилив два дополнительных выпускных окна в цилиндре
Эти окна на низких оборотах соединялись с резонансной камерой.
Контора Rotax в свою очередь поступила очень элегантно и похоже на ямаху, они приделали к выпускному каналу плоскую заслонку, однако в действие она приводилась мембраной, с использованием избыточного давления выхлопных газов в выпускном канале.
При увеличении оборотов, давление в выпускном тракте росло и мембрана поднимала заслонку.
Данных конструкций было множество, но цель одна, сделать мотор более эластичным, с плавной внешней скоростной характеристикой. Иначе вход мощного двухтактника в резонанс похож на то, как будто в тебя въехали сзади. На своем пике развития, лучшие двухтактники демонстрировали демоническую литровую мощность, которая превышала 400 лс на литр рабочего объема, ни один другой атмосферный мотор не может и мечтать о таких показателях. Теоретически к ним может близко подойти только роторно-поршневой двигатель Ванкеля, но он тоже по своей природе близок к двухтактнику.
Если подытожить, 2т это весело, интересно, иногда безумно, но жизнь этих моторов как у гипертоников, яркая но не долгая) На этом можно поставить точку в теме про два такта и перейти к четырем.
Во второй половине 19 века Николаус Отто (куда ж без немцев), придумал четырехтактный цикл работы поршневого ДВС, однако в последствии нашлись хитрожопые товарищи, отсудившие у него патенты, однако данный цикл так и зовут - цикл Отто, а немцы называют эти моторы Ottomotor.
По началу моторы были весьма примитивными, и более-менее привычный вид обрели только в 20 веке. Рабочий цикл состоит из четырех тактов:
1. Впуск
2. Сжатие
3. Рабочий ход
4. Выпуск.
Итого за два оборота коленчатого вала четырехтактник выполняет полезную работу только один раз, во время остальных полутора оборотов он поглощает запасенную во вращающихся массах энергию для обеспечения собственной жизнедеятельности, поэтому одноцилиндровые четырехтактники нуждаются в крупных и тяжелых маховиках, а характер у них вялый и флегматичный, также эти моторы щедро одарены различного рода вибрациями.
Первая по настоящему распространенная конструкция - это двигатель с нижним распредвалом и нижними клапанами. В головке таких моторов не было ни одной детали газораспределительного механизма.
Это первая массовая конструкция двигателей, картер с масляным поддоном, принудительная система смазки под давлениям, подшипники скольжения. Как правило масляный насос приводился в действие посредством червячной передачи от распределительного вала и находился непосредственно в масляном поддоне, насосы были шестеренчатые, низкооборотистые, с редукционным клапаном, ограничивающим давление в системе смазки на уровне 4 атмосфер. Масло по каналам в блоке цилиндров подавалось к коренным подшипникам коленвала, где использовались вкладыши состоящие из стальной основы, с антифрикционным напылением из баббита, масло по каналам в коленчатом валу поступало к шатунным подшипникам, в которых использовались либо такие-же вкладыши, либо прямое напыление прямо на головку шатуна, в этом случае зазор в шатунном подшипнике регулировался регулировочными прокладками из стальной фольги.
На фото коренной вкладыш подшипника скольжения, канавка во вкладыше сделана для того, чтобы снабжать маслом канал смазки шатунного подшипника. В современных моторах часто встречается отсутствие канавки на втором вкладыше, видать в целях ограничения ресурса.
Раньше в системе смазки подшипников коленвала использовалось прямое сверление каналов
Со стороны шатунной шейки сверлился широкий канал, который глушился заглушкой (данная конструкция еще встречается, например ее можно найти в грузовых моторах или в УАЗах и газелях с моторами ЗМЗ, там еще какое-то время выпуска был косяк с самопроизвольным откручиванием этих заглушек в дизелях ЗМЗ-514 и ЗМЗ-514-32) , а в самих шейках сверлилось сквозное диаметральное отверстие проходящее сквозь основной канал. Минус конструкции в ослаблении коленвала множеством сверлений, а также в требовательности к давлению в системе смазки. В современных моторах почти всегда используется косое сверление масляных каналов
здесь прекрасно видно, что масляный канал просверлен напрямую от шатунной шейки к коренной, у этой схемы одни плюсы, малое количество каналов, отсутствие паразитных полостей в коленвале, и центробежная сила очень помогает перетекать маслу по направлению к шатунному подшипнику.
Распределительный вал также установлен на подшипниках скольжения и смазывается по тому-же принципу, также смазка подводится к толкателям клапанов, больше в этих конструкциях принудительно ничего не смазывается, только масляным туманом. Бывают конструкции четырехтактных моторов, где используются только подшипники качения, как в 2Т, но это в основном мотоциклетные моторы, например Honda Cub или наш Урал М-67
Распределительный вал устанавливался в блоке цилиндров и приводился посредством шестеренчатой передачи, толкатели и клапаны также находились в блоке цилиндров
В головке блока находились только вихревая камера да свеча. Эти моторы были маломощными и тихоходными, у них была очень низкая степень сжатия, не больше 6 обычно, рассчитаны они были на низкооктановый бензин. Зато ломаться в них было нечему. Эти моторы получили огромное распространение, практически все моторы первой половины 20 века придерживались этой схемы. Моторы были как одноцилиндровыми, так и многоцилиндровыми.
Их конструкция также диктовалась достижениями своего времени, тогда еще не придумали эффективных карбюраторов, которые бы качественно разбивали топливо на аэрозоль, для его эффективного сгорания, также бензин был с низкой детонационной стойкостью, и поднять степень сжатия, для увеличения КПД, также не было возможности, поэтому камеру сгорания сделали по принципу вихревой камеры. Поршень, приближаясь к вытеснителю на головке, резко выталкивал рабочую смесь в вихревую камеру, где она одновременно со сжатием активно перемешивалась и воспламенялась свечей зажигания
Такая конструкция позволила достаточно эффективно сжигать низкооктановое топливо избегая детонации.
Если в четырехтактном моторе было больше одного цилиндра, для избежания рывковой передачи крутящего момента и повышенной вибрации, придумали целую кучу схем расположения цилиндров. Например двухцилиндровые рядные моторы почти всегда использовали синфазную схему движения поршней
Под буквой С на картинке, в такой схеме на один оборот коленвала приходится один рабочий такт, и крутящий момент передается равномерно, однако второй стороной медали является лютая вибронагруженность системы, которую как правило лечат балансирными валами, которые вращаясь, создают вибрации в противофазе издаваемым двигателем вибрациям, уравновешивая их. Но есть другой вариант уравновесить два цилиндра, развернуть их на 180 градусов, получив оппозитное расположение цилиндров
Поршни в таком моторе движутся навстречу друг другу, взаимоуравновешиваясь. Такую схему очень любит баварский моторный завод в своих мотоциклах начиная со второй мировой войны.
Противофазная схема, под буквой В, грешит рваной передачей крутящего момента, так как на один оборот коленвала происходит два рабочих такта, а за следующий оборот - ни одного. Хотя этим грешит не только двухцилиндровый рядник, такие-же проблемы есть и у V-образных двухцилиндровых моторов, и у L-образных двухцилиндровиков. Первую схему обожает харлей дэвидсон
За красивый звук быр-быр из-за сдвоенных рабочих тактов, а вторую любит дукати
За низкий центр масс, низкий гироскопический эффект из-за легкого и короткого коленвала, и ту самую рваную передачу крутящего момента, которая не дает сорваться заднему колесу в неконтролируемый букс из-за больших промежутков между вспышками.
Трехцилиндровые моторы уже более сбалансированы, в подавляющем большинстве они рядные и кривошипы у него разведены на угол в 120 градусов, деля окружность на три части. Точно также разведены кривошипы в рядном шестицилиндровом моторе, только там это сделано по парам поршней
Рядная шестерка является самым сбалансированным мотором, наравне с V12. Есть еще много разных форм-факторов и компоновок, иногда даже извращенских, таких как VR моторы фольксвагена, это по сути V-образник с предельно малым развалом блока
А два таких мотора зовутся W-образными
Просто, пока остальные компании делали мощные автомобили заднеприводными, а вольво намазывала коробку передач на рядную шестерку, чтобы впихнуть это промеж стоек, концерн фольксваген придумал, как сделать сверхкомпактный многоцилиндровый двигатель, и им так понравилось, что они превратили это в фирменную фишку, и даже сконструячили лютый W16 для бугатти вейрон
Компоновок было великое множество, и все их не обозреть. В принципе цилиндры можно располагать как угодно, хоть звездой
64 цилиндра!!!
Ну ладно, отвлеклись.
Тему по нижнеклапанным моторам можно заканчивать, данная схема давно не используется, так как системы питания давно шагнули вперед, как и качество топлива.
В следующей части перейдем к схеме OHV и CIH, также рассмотрим типы карбюраторов и систем зажигания, использовавшихся до 90-х годов прошлого века. Ну и в следующих частях мы уже отойдем от мотоциклетных моторов и возьмемся за взрослые, автомобильные.
