Первый газовый двигатель Отто, построенный в 1877 г., имел золотниковое газораспределение, однако вскоре им был построен так называемый "карликовый" двигатель мощностью около 0,35 кВт уже с клапанным механизмом газораспределения (рис. 93). Впускной клапан для воздуха открывался автоматически под действием вакуума при ходе поршня к НМТ, а впускной клапан для газа и выпускной клапан открывались принудительно с помощью механизма, который содержал все необходимые элементы современных механизмов - кулачок, роликовый толкатель, клапанную пружину и клапан, направляющая которого вместе с седлом вворачивалась в корпус. Толкатель, подпружиненный системой рыча! в с грузом, был связан с впускным клапаном газа. И такой механизм одновременно выполнял функцию инерционного регулятора частоты вращения вала. При увеличении ее рычаг-маятник выводил крюк из зацепления с тягой клапана и прекращал подачу газа.
Рис. 93. "Дарликовый" двигатель Отто: 1 - автоматический впускной воздушный клапан; 2 - управляемый выпускной клапан; 3 - толкатель; 4 - кулачок; 5 - впускной газовый клапан; 6 - рычаг-маятник
В 1888 г. появился двигатель Симплекс фирмы Деламар - Дебуттевиль с клапанно-золотниковым газораспределением, в котором для управления выпускным клапаном авторы конструкции применили очень сложный механизм. Принцип такого механизма, однако, на два десятилетия сохранился в механизмах газораспределения стационарных газовых двигателей (рис. 94). От кулачка 1 движение на клапан 2 передавалось системой рычагов 3, последний из которых, проходивший через серьгу 6 толкателя тяги клапана, одним концом был связан с приводной тягой и плоской возвратной пружиной 4, а другим профилированным концом опирался на кронштейн 5.
Рис. 94. Механизм газораспределения двигателя Симплекс
Примером дальнейшего развития данного принципа может служить механизм газораспределения газового двигателя фирмы Ганиел и Люэг (рис. 95), в котором перемещение регулятором опоры 1 рокера служило для изменения хода клапана 2 и, следовательно, для дозирования газовоздушной смеси.
Обратите внимание на двигатель фирмы Ганиель и Люэг. В дальнейшем принцип изменения положения опоры рокера будет использован для изменения фаз газораспределения.
Рис. 95. Механизм газораспределения двигателя фирмы Ганиель и Люэг
На бензиновых двигателях ПанарД и Левассора был применен механизм с принудительно открывавшимися впускным и выпускным клапанами. Отсюда был уже один шаг до классической схемы с боковыми клапанами (рис. 96), которая сохранялась на ряде бензиновых двигателей вплоть до 60...70-Х гг., прежде всего благодаря простоте конструкции и минимуму движущихся деталей.
Рис. 96. Двигатель фирмы Воксхол с механизмом газораспределения и боковыми клапанами
Поскольку в начале XX в. степень сжатия газовых или бензиновых двигателей была невысокой, камера сгорания могла быть очень сложной формы, а в ряде случаев функцию камеры сгорания выполнял и достаточно длинный впускной канал.
В дизелях требовалось обеспечение высокой степени сжатия, и подобные "излишества" в формировании камеры сгорания были просто неприемлемы. Поэтому уже на первых двигателях Дизеля клапаны открывались непосредственно в камеру сгорания над поршнем. Однако вертикальное расположение клапанов дизелей было отнюдь не обязательным. На рис. 97, а, показан дизель SLM с горизонтальными противолежащими клапанами и вытеснителем на поршне, который создавал интенсивное вихревое движение воздуха в камере сгорания в конце такта сжатия. Аналогичная схема применялась и на некоторых дизелях фирмы Дейтц (рис. 97, б, в). В двигателе Газельвандера (рис. 98) вытеснитель перекрывает вблизи ВМТ часть объема, оставляя узкую щель, через которую с большой скоростью в камеру сгорания перетекает сжимаемый заряд. Этот прием используется и в настоящее время для интенсификации турбулизации заряда как в бензиновых двигателях, так и в дизелях.
Рис. 97. Дизель с горизонтальными противолежащими клапанами и схема действия вытеснителя: 1 - выпускной клапан; 2 - впускной клапан; 3 - форсунка; 4 - вытеснитель
Рис. 98. Двигатель Газельвандера с вытеснителем: 1 - вытеснитель; 2 - впускной клапан; 3 - центробежный регулятор; 4 - форсунка-дозатор
Сложные формы камер сгорания первых бензиновых и газовых двигателей, обладающие большими поверхностями теплоотвода, являлись причиной больших тепловых потерь, замедленного развития процесса сгорания, плохой экономичности и повышенной склонности к детонации даже при сравнительно небольших степенях сжатия. Поэтому в начале XX в. появились бензиновые двигатели с подвесными клапанами, с нижним (рис. 99, а) или верхним (рис. 99, б) расположением кулачкового вала. V-образное расположение клапанов 3 позволяло создать камеру сгорания, близкую по форме к полусфере, а наклонное расположение клапанов обеспечивало большое проходное сечение, хорошее наполнение цилиндра. В сочетании с компактной камерой сгорания и относительно небольшими (при верхнем расположении вала) массами поступательно движущихся частей - это открыло путь для увеличения частоты вращения вала двигателя. В дальнейшем предпочтение отдали классической схеме с нижним расположением кулачкового вала и вертикальными подвесными клапанами вдоль оси коленчатого вала (рис. 100).
Рис. 99. Двигатель с подвесными V-образными клапанами: 1 - кулачковый вал; 2 - механизм привода; 3 - клапан
Рис. 100. Классическая компоновка механизма газораспределения с подвесными клапанами (двигатель Вандерер): 1 - кулачковый вал; 2 - толкатель; 3 - штанга толкателя; 4 - коромысло; 5 - клапан
Такая компоновка механизма газораспределения сохранилась вплоть до наших дней на многих двигателях легковых автомобилей и подавляющем большинстве двигателей (как бензиновых, так и дизелей) для грузовых автомобилей или тракторов. Для двигателей с частотой вращения вала 4000...4500 мин⁻¹ среднего и большого литража механизм оказался вполне пригодным.
Для малолитражных двигателей с частотой вращения вала 5500...6000 мин⁻¹ легковых или спортивных автомобилей предпочтительнее схемы с подвесными клапанами и верхним расположением кулачкового вала (см. рис. 81, 83), которые в настоящее время выполняются в разнообразных вариантах как с V-образным, так и рядным расположением клапанов.
Форма камеры сгорания и соответствующая ей компоновка механизма газораспределения самым непосредственным образом влияют на организацию процесса сгорания, мощностные и экономические показатели двигателя и его токсичность. Для того чтобы бензиновый двигатель работал с более высокими степенями сжатия без опасения детонационного сгорания, необходима интенсивная турбулизация заряда топливовоздушной смеси, в том числе в период сжатия за счет вытеснения ее из периферийных зон в компактный объем камеры сгорания. В начале 80-х гг. появилась конструкция камеры "Огненный шар" (рис. 101, а), в которой клапаны расположили на разном уровне. Для вытеснения использовалась примерно половина площади поршня. Но чем больше площадь вытеснения, тем интенсивнее поток смеси, создаваемый вытеснителем.
Рис. 101. Камеры сгорания и расположение клапанов: а - "Огненный шар'*; б - с боковыми клапанами; в - F-образное расположение клапанов
На рис. 96 показана камера с боковыми клапанами уже давно известная, но с небольшой модернизацией: зазор между головкой и поршнем в зоне вытеснения сделан минимальный. Такая камера не очень удобна для создания высоких степеней сжатия (рис. 101, б). Камера над двумя клапанами, расположенными сбоку, не очень компактна. А что если расположить клапан так, как показано на рис. 101, в? Логично, но не напоминает ли Вам эта конструкция двигатель Даймлера? В последнее время конструкторы тщательно исследовали подобные камеры. Поверхность такой камеры слишком велика, следовательно, велики потери теплоты, выбросы токсичных соединений углеводородов и альдегидов из холодного пристенного слоя и т.п. Интенсифицировать движение заряда можно уже известным способом заширмленно-го вытеснителя, разработанным еще в конце прошлого века.
В конце 70-х гг. на двигателях появились трех- и четырехклапанные головки, а японские фирмы сделали даже шестиклапанные головки для малых мотоциклетных двигателей. Четырехклапанные головки стали модой, но несколько запоздалой, так как первые двигатели с многоклапанными головками появились в начале века, а на двигателях спортивных автомобилей фирм Мерседес или Воксхолл серийно уже в середине 20-х...30-х гг.
Если пары клапанов расположены параллельно, то механизм не очень усложняется: оба клапана можно открывать с помощью одного кулачка и вильчатого рычага, но камера сгорания получается далеко не оптимальной фермы - формы шатра. Для создания полусферической поверхности камеры сгорания (рис. 102) очень сложно разместить клапаны механизма газораспределения в головке многоцилиндрового двигателя. Многоклапанные головки более выгодны для двигателей спортивных автомобилей, которые большую часть времени работают на полной мощности. А двигатель обычного легкового автомобиля быть может ни разу и не выйдет на полную мощность. Хорошее наполнение и большая мощность в данном случае скорее годны для рекламных проспектов.
Рис. 102. Четырехклапанный механизм газораспределения и полусферическая камера сгорания: 1 - кулачковый вал; 2 - рокер; 3 - клапан
Идея многоклапанной головки несколько трансформировалась. Остались три клапана, чтобы обеспечить хорошее смесеобразование и равномерное распределение топливовоздушной смеси прежде всего на частичных нагрузках, два впускных и один выпускной.
На малых нагрузках смесь создается в первичной камере карбюратора малого сечения, в которой благодаря этому поддерживаются достаточно высокие скорости распыливающего воздуха. Если раньше она попадала во впускной трубопровод большого сечения, рассчитанного на максимальное наполнение, в котором скорость потока резко уменьшалась, а качество смеси ухудшалось, то теперь она транспортируется, сохраняя высокую скорость, по самостоятельному каналу 1 тоже малого сечения (рис. 103) и попадает в цилиндр через клапан 3 малого диаметра. На средних нагрузках могут работать камера и канал 2 большого сечения, а на полных - оба. В этой конструкции очень целесообразно было бы отключать неработающие клапаны. И еще. Наличие двух самостоятельных смесительных камер и каналов позволяет создавать заряд расслоенной смеси и тем самым управлять процессом сгорания и количеством возникающих при этом токсичных веществ.
Рис. 103. Механизм газораспределения с впускными клапанами разного диаметра и отдельными впускными патрубками
Следует упомянуть еще об одной идее в конструкции механизмов газораспределения. В головке с четырьмя клапанами эффект увеличенного проходного сечения во многом уменьшается за счет торможения потока у стенки цилиндра и в перемычке между клапанами (рис. 104). В 60-е гг. была предложена конструкция с соосными клапанами (рис. 105). С помощью такой конструкции можно обеспечить большое проходное сечение и равномерное распределение потока по периметру клапанной щели, но большая масса клапана и сложности с уплотнением между впускным и выпускным каналами не позволили применить ее в массовом производстве. Данная конструкция оказалась отнюдь не новой. Уж очень она напоминает механизмы газовых двигателей начала века, в которых через подобные соосные клапаны отдельно подавались в цилиндр воздух и газовое топливо.
Рис. 104. Зоны торможения потока смеси в головке с четырьмя клапанами
Рис. 105. Соосные клапаны и их расположение в головке цилиндра
В классической схеме клапан открывается под действием кулачка, а закрывается возвратной пружиной, которая обладает силой упругости, чтобы обеспечить плотную посадку клапана в седло. Кулачок при открывании клапана должен преодолеть не только инерцию его массы, но и усилие пружины. А если процессами открытия и закрытия клапана управлять кулачками? В середине 50-х гг. возникли так называемые десмодром-ные механизмы (рис. 106). Проблема одна - точность изготовления, плотность посадки клапана в седло и износы. Решить ее в условиях массового производства не так просто.
Рис. 106. Примеры десмодромных механизмов управления клапанами: 1, 2 - кулачки соответственно открытия и закрытия клапана; 5 - толкатель; 4 - рычаг
На рис. 107 показана конструкция, в которой клапан совершает качание вокруг оси. Клапанный механизм легкий, обладает малыми силами инерции. Основным его недостатком является трудность обеспечения плотной посадки клапана в седло.
Рис. 107. Качающийся клапан: а - расположенный в головке; б - с торсионной пружиной
По сравнению с золотниковым клапанный механизм имеет много преимуществ. Но и у золотникового есть свои преимущества: возможность обеспечить большие проходные сечения и, что немаловажно, создать идеальную форму камер сгорания. В 1905 г. запатентована конструкция золотникового распределения Чарльза Найта, в которой цилиндрический золотник (см. рис. 79), охватывавший рабочий цилиндр, совершает возвратные поступательное и вращательное движения относительно оси цилиндра, последовательно открывая и закрывая впускные и выпускные окна. Кинематика приводного механизма сложная, масса золотника и силы инерции велики, уплотнение ненадежное - недостатков множество, но очень велико желание найти оптимальную форму камеры сгорания. Поэтому к механизму Найта в дальнейшем конструкторы возвращались неоднократно, совершенствуя его (рис. 108).
Рис. 108. Золотниковые механизмы газораспределения Найта: а - цилиндрический (авиационный двигатель Бристоль); б - полуцилиндрический; 1 - рычаг привода золотника; 2 - золотник; 3 - цилиндр; 4 - головка; 5 - полуцилиндрический золотник; 6 - механизм привода; 7 - эксцентриковый вал привода
Газораспределение с помощью вращающегося золотника (рис. 109) широко применяется на быстроходных (более 8...10 тыс. мин⁻¹) двигателях спортивных мотоциклов. Высокое давление в конце сгорания приводит к деформации и задирам золотника и повышенному абразивному износу сажевыми частицами. Но для спортивных двигателей важнее мощность, чем долговечность.
Рис. 109. Механизмы газораспределения с вращающимися золотниками: а - цилиндрическим; б - коническим; 1 - золотник; 2 - механизм привода золотника
Впускной клапан закрывается с запаздыванием относительно НМТ для того, чтобы использовать энергию потока газов для улучшения наполнения. Но эта энергия эффективна только на больших скоростях потока. При малой частоте вращения вала часть заряда выбрасывается обратно во впускной трубопровод. Не совсем разумно. Выпускной клапан открывается задолго до прихода поршня в НМТ для того, чтобы снизить сопротивление газов при последующем выпуске, и чем выше частота вращения вала, тем раньше необходимо открывать клапан. Для двигателя, длительное время работающего на установившемся режиме, такое решение применимо, а для автомобильного двигателя, который большую часть времени работает на частичных скоростных и нагрузочных режимах? По-видимому, в данном случае целесообразно открывать клапан позже и полнее использовать энергию заряда (именно на частичных нагрузках). С 60...70-х гг. стали появляться предложения, позволяющие создать механизм с переменными фазами газораспределения за счет изменения профилей кулачка или донышка толкателя, т. е. изменяя период их взаимного контакта. Такие механизмы распространения пока не получили - слишком сложны, а экономия топлива не столь уж велика. Но они весьма целесообразны для двигателей, работающих совместно с бесступенчатой трансмиссией.
А завершить наши рассуждения о механизме газораспределения целесообразно вопросами, связанными с отключением клапанов. Вопрос об отключении клапанов стали рассматривать в 60-е гг. в связи со стремлением улучшить экономичность автомобиля на частичных нагрузках в результате выключения из работы части цилиндров. Современные механизмы отключения клапанов показаны на рис. 110.
Рис. 110. Механизмы отключения клапанов: а - с изменением положения опоры коромысла; б - с опусканием гидравлической опоры рокера; 1 - колпачок с прорезями; 2 - стакан с усиками; 3 - коромысло; 4 - клапан; 5 - рокер; 6 - кулачок; 7 - гидравлическая опора; 8 - клапан; 9 - золотник