Разборка ABW.BY. Раз, два, три, четыре, пять – вышел клапан погулять
Секрет небывалой резвости Peugeot находился под капотом, где был установлен двигатель с четырьмя клапанами на цилиндр. Сегодня таким количеством клапанов никого не удивишь, но сто с лишним лет тому назад это было революционное решение.
Примечательно, что его автор Эрнест Анри пришел к идее использования четырех клапанов вместо двух лишь с целью избавиться от поломок клапанных пружин, не выдерживавших при увеличении оборотов двигателя инерционных нагрузок от массы клапанов. Увеличение количества клапанов означало уменьшение их размеров, а значит, веса, что и привлекло внимание Анри. О значительном приросте мощности поначалу речь не шла, но благодаря именно этому «побочному» эффекту, обеспечиваемому многоклапанным газораспределением, имя Анри теперь вписано в историю автомобилестроения.
Однако благодаря чему эффект обеспечивался? Мощность можно наращивать самыми разными способами. Например, увеличивая объем двигателя, что, кстати, во времена Анри и было наиболее простым и самым распространенным решением вопроса. Но можно, не изменяя объем мотора, увеличивать частоту вращения коленчатого вала, ведь мощность напрямую зависит от количества рабочих тактов, совершаемых в двигателе за единицу времени.
Плохо это тем, что от скорости вращения коленвала зависит время, отводимое на впуск горючей смеси и удаление отработанных газов. Чем коленвал быстрей крутится, тем хуже условия для качественного газообмена. Надо открывать клапаны раньше и закрывать позднее, но в таком случае увеличивается период, когда впускной и выпускной клапан будут открыты одновременно. Что хорошего в том, что часть горючей смеси, не дождавшись воспламенения, вылетит из цилиндра вслед за отработанными газами в выхлопную трубу, так и не выполнив свою главную задачу?
Стало быть, нужно увеличивать проходное сечение клапанов, чтобы за время их открытия требуемое количество горючей смеси без нерациональных потерь успело заполнить цилиндр, а отработанные газы как можно быстрее его покинули. Однако тогда увеличиваются размеры клапанов, они становятся тяжелыми и при увеличении оборотов двигателя начинают ломать свои пружины. Это, как уже понятно, вновь возвращает нас к Анри, решившему вместо двух больших по размерам и тяжелых клапанов поставить четыре маленьких и легких: два впускных и два выпускных.
Одновременно при этом почти в полтора раза увеличилась суммарная площадь проходного сечения клапанов и их общая пропускная способность, благодаря чему увеличивалось количество свежего заряда, наполнявшего цилиндр за отведенное на впуск время, а с ним росла и мощность, выработанная от сгорания. Кроме того, изменилось распределение поступившей в цилиндр горючей смеси, став более равномерным, что улучшило процесс сгорания и благоприятно отразилось на величине расхода топлива.
Тем не менее понадобилось более 70 лет, чтобы находка работавшего в Peugeot швейцарского конструктора наконец-то нашла применение не только на гоночных и спортивных автомобилях, но и заинтересовала производителей массовых моделей. Почему так случилось?
Но как только нефтяной кризис 1970-х годов вынудил автомобилестроителей обратить внимание на компактные модели с малолитражными двигателями, а более простые способы улучшения их мощности и экономичности были исчерпаны, час «многоклапанников» пробил.
Судя по тому, что в настоящее время предложенное Эрнестом Анри количество клапанов на цилиндр стало самым распространенным в двигателестроении вариантом, похоже, помимо инженерного таланта швейцарец обладал еще и даром провидения.
Но почему не три или пять клапанов и больше? Причина та же, что долго сдерживала применение четырехклапанной технологии. Право на жизнь получают конструкции, преимущества которых перевешивают свойственные им недостатки.
Что, например, помешало развитию схем с пятью и более клапанами, ведь по эффективности газообмена они лучше четырехклапанного газораспределения? Первая причина понятна – такие ГРМ более сложные конструктивно со всеми вытекающими из этого обстоятельства последствиями для затрат не только на их изготовление, но и на производство головки цилиндров и других узлов. Однако одновременно с количеством клапанов возрастают потери на трение в клапанном механизме, которые частично компенсируют выгоды, полученные от увеличения числа клапанов, из-за чего оно уже не дает тех результатов, которые хотелось бы получить. Это вторая причина, но помимо этого требуется уменьшать размеры клапанов, что сказывается на прочности и требует использования более дорогих материалов с высокими прочностными характеристиками.
И главное – частокол из клапанов создает трудности с размещением в головке цилиндров деталей, не имеющих к ГРМ отношения, например, свечей зажигания и накаливания, топливных форсунок, которые оказывают весомое влияние на оптимизацию рабочего процесса, протекающего в двигателе. Прямой впрыск бензина способствует более существенному улучшению характеристик, поэтому когда возникла необходимость переноса форсунок из впускного коллектора, где они располагаются при распределенном впрыске, в головку цилиндров, стало ясно, что число клапанов свыше четырех – перебор, если только конструкторы специально не преследуют достижение максимально возможной мощности.
Газообмен, в котором за впуск отвечают два клапана, а за выпуск – один, плох тем, что он менее эффективен. Поэтому трехклапанный ГРМ может быть интересен, только когда перевесят его преимущества в компактности, дешевизне изготовления, надежности и упрощении обслуживания и ремонта. Было время, когда освободившееся место четвертого клапана использовалось для размещения второй свечи и оптимизации зажигания, но сейчас лишь две лазейки оставляют моторам с числом клапанов на цилиндр менее четырех возможность выхода на рынок.
Первая – тенденция к уменьшению размеров силовых агрегатов, их миниатюризация, downsizing, одним словом. Вторая – выпуск автомобилей, в народе называемых бюджетниками, при производстве которых экономят на всем с целью максимального удешевления. Для них два или три клапана на цилиндр – это по-прежнему так же нормально, как и в доисторические по меркам автомобилестроения времена.
Означает это только одно – идеального числа клапанов все-таки не существует. Все определяет баланс между достоинствами и недостатками, чему подтверждение то, как долго оставался невостребованным потенциал четырехклапанного газораспределения, хотя его возможности и эффективность были наглядно доказаны более 100 лет назад.
Порядок работы 4-цилиндрового двигателя
Многие автовладельцы даже не задумываются о порядке работы цилиндров двигателя своей машины, ограничиваясь лишь знанием их количества. Для управления транспортным средством такая информация не нужна и большинство водителей не видят смысла в изучении технических деталей.
Понимание процесса оказывается полезным для выставления зажигания, замене ремня газораспределительного механизма и других видах работ при самостоятельной наладке или ремонте, когда нет возможности обратиться за помощью в СТО.
Сколько цилиндров бывает в двигателе
На всем протяжении истории машиностроения инженеры и конструкторы преследуют одну цель – получение максимальной отдачи от двигателя. Для ее достижения разрабатывались все более мощные моторы с различным количеством цилиндров – от 1 до 16, принимались и принимаются попытки размещения «лошадиных сил» в как можно меньшем объеме подкапотного пространства.
Двигатели с одним цилиндром устанавливаются в мини-тракторах, маломощных мопедах и мотоциклах. Для более мощной мототехники требуется уже 4-тактный 2-цилиндровый мотор.Современные трехцилиндровые ДВС преимущественно ставятся на малолитражных легковых автомобилях и для повышения мощности оснащаются турбиной.
4-цилиндровые двигатели уже более ста лет являются самыми востребованными в автомобильной промышленности. Ими оборудуются практически все современные легковые автомобили.
Двигатели пятицилиндровые не столь популярны. Ранее они широко использовались такими гигантами мирового автопрома, как Volkswagen,Volvo,Audi
Шести- и 8 цилиндровые двигатели также популярны. Несмотря на общемировую практику уменьшения числа цилиндров за счет турбирования, такие ДВС постепенно теряют свои позиции. Многие автоконцерны в последние годы отказываются от восьмицилиндровых в пользу 6 цилиндровых двигателей, особенно это заметно по рынку мощных легковых машин.
ДВС с 7 или 9 цилиндрами применяются в авиатехнике. В автопромышленности они не используются, за редким исключением – в тюнингованных моделях.
10- и 11-цилиндровые в автомобилестроении также большая редкость. Полюбоваться «десяткой» можно на спорткаре Audi R8.
Двигатель с 12 цилиндрами в автопромышленности использовался более широко. Но из-за ужесточения экологических норм их производство неумолимо сокращается.
Существуют также ДВС с 14, 16, 18, 20, 24, 28, 32 и 64 цилиндрами. Они представляют собой сочетание нескольких двигателей с меньшим количеством цилиндров и в производстве автомобилей практически не применяются.
Клапана, их назначение, работа 4-тактного двигателя
Клапан двигателя одновременно является и деталью, и последним звеном механизма газораспределения. Он представляет собой подпружиненный элемент, в состоянии покоя перекрывающим впускное либо выпускное отверстие. При проворачивании распредвала находящийся на нем кулачок давит на клапан и опускает его, открывая тем самым соответствующее отверстие
На каждом цилиндре устанавливается не менее двух клапанов. В более дорогих моделях двигателей их ставится четыре. Количество клапанов в большинстве случаев четное, их назначение – открытие различных групп отверстий: одни предназначены для впускных, вторые – для выпускных.
Клапаны впускные открывают проход для поступающей в цилиндр новой порции воздушно-топливной смеси, а в двигателях с непосредственным впрыском топлива – объема воздуха. Процесс этот происходит в момент выполнения поршнем впуска (движение вниз с верхней «мертвой» точки после отведения продуктов горения).
Клапаны выпускные работают по тому же принципу, но выполняют иную функцию. Они предназначены для удаления выхлопных газов в выпускной коллектор.
Цикл работы 4 цилиндрового двигателя представляет собой последовательность из четырех процессов, называемых «рабочим циклом». Рассмотрим его на примере бензинового четырехтактного ДВС, устанавливаемого в большинстве легковых автомобилей.
1. Впуск.
В камере сгорания начинается преобразование энергии и первый этап – реакция горения топливовоздушной смеси. Поршень при этом из верхней мертвой точки перемещается вниз, возникает разрежение и происходит впуск горючего. В это время впускной клапан открыт, выпускной находится в закрытом положении. В инжекторных двигателях подача топлива осуществляется форсункой.
2. Сжатие.
После того, как камера сгорания заполнилась смесью паров бензина и воздуха, при вращательных движениях коленвала поршень переходит в нижнюю позицию. Впускной клапан постепенно закрывается, а выпускной – по-прежнему закрыт.
3. Рабочий ход.
Третий этап рабочего цикла – самый важный. Именно на нем энергия сгорающего топлива переходит в механическую, приводящую в движение коленвал.
Еще в процессе сжатия,когда поршень расположен в верхней точке, происходит воспламенение топливной смеси от искры свечи зажигания. Топливный заряд быстро сгорает, а образовавшиеся газы находятся под максимальным давлением в небольшом пространстве камеры сгорания.
При перемещении поршня вниз газы интенсивно расширяются, высвобождая энергию. На данном этапе коленвалупередается разгонное ускорение. На всех других тактах цикла двигатель только получает энергию от коленвала, не вырабатывая ее.
4. Выпуск.
Это последний такт рабочего цикла. На нем газы, совершившие полезную работу, выпускаются из цилиндра, высвобождая место для поступления следующей порции топливовоздушной смеси.
На этом этапе газы находятся под давлением, значительно превышающем атмосферное. Коленчатый вал через шатун передвигает поршень к верхней мертвой точке. Выпускной клапан открывается, газы выталкиваются наружу через выхлопную систему.
Рабочий цикл дизельных двигателей несколько отличается от бензиновых. На впуске всасывается лишь воздух, а горючее в камеру сгорания впрыскивается топливным насосом уже после сжатия воздушной массы. Воспламенение дизтоплива происходит при контакте с сжатым воздухом.
4-цилиндровый двигатель, самый распространенный
Как уже упоминалось выше, 4 цилиндровые двигатели являются наиболее распространенными в автомобильной промышленности. По количеству пар клапанов, приходящихся на один цилиндр, они разделяются на две группы.
8-клапанные двигатели устанавливаются в основном на моделях низкой ценовой группы. На каждый цилиндр в них приходится по одному впускному и выпускному клапану – в сумме получается 8 клапанов.
Особенность таких ДВС заключается в использовании одного распределительного вала, управляющего системами впрыска и удаления выхлопных газов. Для приведения его в действие используется цепной либо ременной механизм. Такая система легка в ремонте и текущем обслуживании, а из-за простоты конструкции существенно снижается стоимость автомобиля.
В более дорогих моделях машин на каждый цилиндр двигателя приходится по две пары клапанов впуска и выпуска – итого 16 клапанов. В таких системах задействованы два распределительных вала, для работы которых необходим сложный механизм газораспределения.
Использование двух впускных клапанов обеспечивает подачу большего количества топлива за один такт, из-за чего увеличивается мощность двигателя и его КПД. Также, благодаря наличию двух выпускных клапанов, сокращается расход горючего.
Порядок работы цилиндров и почему именно такой
Существует два типа 4 цилиндровых двигателей:
Схема коленвалов у них одинакова, но порядок работы цилиндров – разный. Это связано с различиями в конструкциях газораспределительного механизма, системы зажигания, а также зависит от углов между кривошипами коленвала.
В рядном 4 цилиндровом двигателе реализован порядок работы по схеме 1-3-4-2. Она используются в подавляющем большинстве автомобилей – и дизельных, и бензиновых, от Жигулей до Мерседеса. Здесь последовательно работают цилиндры, размещенные на противоположных шейках коленвала. Порядок работы цилиндров 4 цилиндрового оппозитного ДВС организован в другой последовательности: 1-3-2-4 либо 1-4-2-3.
Поршни при этом доходят до верхней мертвой точки и с одной, и с другой стороны одновременно. «Оппозитники» можно заметить практически на всех моделях Субару, за исключением некоторых малолитражек, продающихся на внутреннем рынке.
Вывод
Знание порядка работы цилиндров и последовательности процессов рабочего цикла двигателя вряд ли понадобится большинству автолюбителей. Но в некоторых ситуациях без этих знаний не обойтись.
Как работает двигатель внутреннего сгорания
Сколько клапанов в двигателе лучше: 8 или 16
Сегодня на автомобилях можно встретить различные типы ДВС, начиная от малообъемных 3-х цилиндровых агрегатов и заканчивая мощными V8 или V12. При этом подавляющее большинство авто под капотом имеют привычные моторы с 4 цилиндрами.
Если раньше такие силовые агрегаты ставились на модели начального и среднего класса, в данный момент 4-цилиндровый двигатель можно увидеть даже в премиальном сегменте.
Дело в том, что форсирование, увеличение количества клапанов на цилиндр, внедрение систем изменения фаз газораспределения, установка турбонаддува и другие усовершенствования позволили добиться от таких моторов необходимой мощности и эффективной отдачи.
Самым доступным решением для увеличения КПД оказалась конструкция, которая предполагает большее число клапанов на цилиндр. В самом простом варианте двигатели могут иметь 2 клапана (впускной и выпускной). В более технологичных версиях ГРМ получает 4 или 5 клапанов.
В этой статье мы поговорим о том, в чем заключается отличие 8 клапанного от 16 клапанного двигателя, а также какой двигатель лучше, 8 или 16 клапанный. Далее мы постараемся разобраться, какие преимущества и недостатки имеет большее или меньшее количество клапанов в моторе с учетом ремонта и обслуживания таких ДВС.
Более современный 16 клапанный двигатель и 8 клапанный: разница
Начнем с того, что четырехцилиндровые двигатели с 8 клапанами (по два на каждый цилиндр) являются давней, надежной и проверенной временем конструкцией. Сегодня такие моторы некоторые авто производители активно устанавливают на свои бюджетные версии автомобилей.
Также на аналогичной модели транспортного средства можно встретить и более современный 16 клапанный двигатель. Другими словами, покупатель может самостоятельно выбрать более подходящий тип ДВС. Для лучшего понимания необходимо разобраться, какие преимущества и недостатки имеет одна и другая конструкция.
Преимущества восьмиклапанных моторов
Итак, версия с 8-ю клапанами изначально стоит дешевле и обычно ставится на автомобили в самой простой комплектации. Это сделано для максимального удешевления. Такой мотор на каждый цилиндр имеет по одному клапану для впуска топливно-воздушной смеси и по одному клапану для выпуска отработавших газов из цилиндра.
Конструктивно 8 клапанный двигатель имеет один распределительный вал. Привод ГРМ может быть реализован как путем установки ремня ГРМ, так и при помощи цепи. Главными преимуществами такой конструкции можно считать простоту и доступность ремонта, а также неприхотливость к качеству топлива и меньшую требовательность к качеству моторного масла.
Получается, ремонт и обслуживание двигателя с 8-ю клапанами обходится дешевле, что выглядит неоспоримым преимуществом для владельца бюджетной машины. В случае необходимости серьезного ремонта в 8-и клапанном моторе обычно меняется меньше деталей по сравнению с более современными аналогами.
Недостатки 8-и клапанных двигателей
Однако общая простота устройства имеет и свои недостатки. Прежде всего, изготовители преследуют цель тотальной экономии во время изготовления подобных ДВС. Это проявляется как в качестве исполнения отдельных элементов, так и в отсутствии некоторых решений для упрощения обслуживания.
Например, многие двигатели с 8 клапанами предполагают необходимость дополнительной регулировки тепловых зазоров клапанов. Это значит, что в таком ДВС конструктивно отсутствуют гидрокомпенсаторы. С одной стороны это плюс, так как требования к качеству масла занижаются, при этом все же возникает необходимость периодической регулировки зазоров вручную.
Если говорить о мощности таких двигателей, общий диаметр отверстий для 2 клапанов все равно окажется меньше по сравнению с диаметром 4. Это значит, что рабочая смесь не так быстро поступает в камеру сгорания, ухудшается наполняемость цилиндра.
После сжигания топливного заряда отработавшие газы медленнее и менее эффективно выводятся из цилиндров, то есть ухудшается вентиляция. Все это приводит к тому, что такой двигатель отличается замедленной реакцией на нажатие педали газа.
Получается, ДВС этого типа не подходят для активного разгона «с низов», при этом неплохо «тянут» на низких оборотах. Приемлемая динамика достигается в среднем диапазоне оборотов, то есть мотор нужно крутить. В результате подобные агрегаты закономерно расходуют больше топлива. Некоторые замечания возникают и применительно к комфорту. Моторы с 8 клапанами больше вибрируют, могут работать менее устойчиво, сильнее шумят.
Плюсы 16-и клапанных двигателей
Основным преимуществом такого мотора считается лучшая отдача и большая мощность при одинаковом рабочем объеме. Параллельно достигается топливная экономичность. Все дело в том, что система впуска и выпуска на таких агрегатах работает более эффективно.
Как мы уже говорили, четыре отверстия под клапаны имеют больший суммарный диаметр по сравнению с двумя. Благодаря этому за единицу времени в камеру сгорания удается подать больше рабочей топливно-воздушной смеси, а также эффективнее вывести отработавшие газы.
В результате улучшается наполнение цилиндров, смесь поступает более равномерно, сгорание происходит полноценнее. Последующая вентиляция также реализована на лучшем уровне. Получается, благодаря таким особенностям 16-клапанный ДВС мощнее аналогичного 8-клапанного на 15- 25 %. При этом такой двигатель окажется более экономичным.
Минусы моторов с 16 клапанами
Прежде всего, устройство ГРМ в таких агрегатах более сложное. При этом сразу стоит выделить повышенную чувствительность к качеству моторного масла и горючего. Загрязнение системы смазки или рабочей жидкости приводит к быстрому выходу гидрокомпенсаторов из строя.
Что касается ремонта и обслуживания, такой агрегат сложнее и дороже. Конструкция предполагает не только гидрокомпенсаторы, но и два распределительных вала (один для впускных, другой для выпускных кланов), а также большее количество клапанов.
Любые операции, связанные с ремонтом ГРМ (замена сальников клапанов, замена клапанов, притирка клапанов, замена гидрокомпенсаторов, ремонт распредвала и т.п.) потребуют вдвое больших затрат на запчасти и работу.
Определенные сложности возникают и с заменой привода механизма газораспределения, так как требуется более точная настройка фаз, особые требования выдвигаются к максимально точному вставлению по меткам.
Что касается установки газобаллонного оборудования, моторы с 16 клапанами более требовательны к качественной настройке ГБО, так как сбои и нарушения смесеобразования могут привести к быстрому прогару клапанов при работе на газу.
Какой силовой агрегат лучше выбрать
Если суммировать все перечисленные выше особенности, тогда становится понятно следующее:
Рекомендуем также прочитать статью о том, что лучше выбрать, бензиновый или дизельный двигатель. Из этой статьи вы узнаете о преимуществах и недостатках указанных типов ДВС.
Если стоит выбор из этих двух типов ДВС, тогда следует отдельно учесть индивидуальные предпочтения и особенности последующей эксплуатации. В случае, когда нужна динамика и экономичность, при этом автомобиль планируется обслуживать на профессиональной сервисной станции, тогда оптимально приобрести более технологичный 16 клапанный вариант.
Если же вопросы динамики, мощности и топливной экономичности не так важны, при этом планируется обслуживать машину самостоятельно для экономии или с учетом отсутствия возможности посещать СТО, тогда мотор с 8 клапанами выглядит более подходящим вариантом.
Еще добавим, что сегодня многие двигатели с 8 клапанами также оснащены гидрокомпенсаторами. Это значит, что требования к качеству масла и его своевременной замене для таких ДВС остаются повышенными. Также в большинстве случаев при обрыве ремня или цепи ГРМ на 8 клапанных агрегатах также гнет клапана.
Получается, главными их преимуществами остается более доступная начальная цена автомобиля, меньшая чувствительность к горючему и составу топливно-воздушной смеси, а также простота ремонта, особенно при самостоятельном обслуживании.
