Для чего четыре клапана на цилиндр

В чем преимущество четырехклапанных цилиндров

Для автомобильного двигателя воздух не менее важен, чем топливо. От него зависит мощность. А дополнительные клапаны могут обеспечить большее поступление воздуха в цилиндры.

Двигатели с четырьмя клапанами на цилиндр в наши дни являются нормой. Четыре клапана на цилиндр, которые обычно оснащены кулачками для впуска и для выпуска воздуха, лучше, чем два. Давайте посмотрим, в чем здесь преимущество.

Двигатели рассчитаны на подачу максимально возможного количества воздуха в каждый цилиндр для выработки энергии. Использование двух больших клапанов: одного для выпуска выхлопных газов и впускного клапана для попадания воздуха и топлива, как выясняется, не лучший способ обеспечить эффективную работу. Когда клапан открывается, его дискообразная головка обеспечивает поступление воздуха в двигатель, а в случае выпускных клапанов — выход газов.

Возникает вопрос, могут ли два меньших по размеру клапана, скажем, в два раза меньше, чем один большой, позволять большему количеству воздуха поступать в двигатель? Для поиска ответа давайте вспомним, что мощность, которую вырабатывает двигатель, образуется из крутящего момента, генерируемого в каждом цикле сгорания. Поэтому до определенного момента, чем быстрее двигатель вращается, тем больше мощности он вырабатывает. Но на высоких оборотах становится все труднее набирать необходимое количество воздуха достаточно быстро. И здесь два впускных клапана, даже если они не такие большие, имеют преимущество перед одним.

Множество клапанов также дают разработчикам больше возможностей для усиления потока в камере сгорания, необходимого для смешивания топлива с воздухом. А более мелкие компоненты легче, что является преимуществом, когда они должны двигаться быстрее. Недостатком является то, что компоновка с четырьмя клапанами требует гораздо большего количества деталей и более сложной механической обработки, чем двухклапанная.

Надо также заметить, что идея не нова. Впервые двигатели с четырьмя клапанами в автомобилях стали использоваться еще в начале прошлого века. Honda в 1970-х годах выпускала двигатели для Civic с тремя клапанами на цилиндр — двумя впускными и одним выпускным.

В последнее время главное отличие заключается в непосредственном впрыске и установке инжектора в каждую камеру сгорания. В двигателях с непосредственным впрыском камеры сгорания находится в головке поршня, чтобы обеспечить лучшее смешивание воздуха с топливом, но конструкция впускных отверстий головки цилиндра все еще имеет значение.

Таким образом, хотя все современные двигатели обычно оснащаются турбокомпрессорами, принципы подачи воздуха двигателя все еще играют важную роль. Современные глушители часто включают в себя гораздо больше, чем несколько перегородок. Например, новая выхлопная система Chevrolet, разработанная для Corvette Stingray 2020 года, включает в себя до четырех электронных клапанов Tenneco для работы в сочетании с системой управления топливом двигателя и системой дезактивации цилиндров, а также с модификацией выхлопной системы.

Источник

Что дают в двигателе 4 клапана на цилиндр?

Если исходить из целесообразности в том ее смысле, чтобы только обеспечить в двигателе нормальное протекание рабочего процесса, то вполне достаточно иметь два клапана на каждый цилиндр. Один обеспечивает поступление в цилиндр свежей горючей смеси (в дизелях — воздуха) , другой отвечает за удаление из цилиндров продуктов сгорания, то есть — отработанных газов.
В 1913 году компания Peugeot отправила за океан для участия в самой престижной в то время гонке в Индианаполисе ничем не примечательный внешне автомобиль. Секрет резвости Peugeot находился под его капотом, где был установлен силовой агрегат с четырьмя клапанами на цилиндр и двумя верхними распределительными валами. То, что многоклапанное газораспределение позволило заметно увеличить мощность двигателя, — это, так сказать, был побочный эффект. Чуть позднее Эрнест Анри — главный идейный вдохновитель создания систем, которые нынче называются DOHC или Twin Cam, подвел к делу и теоретическую базу. Использование двух впускных клапанов вместо одного почти в полтора раза увеличило площадь проходного сечения через клапаны, что обеспечивало в столько же раз лучшее наполнение цилиндров свежим зарядом горючей смеси. А чем выше степень наполнения, тем большую мощность отдает мотор. Два же выпускных клапана позволяют отработанным газам быстрее покинуть цилиндр и не препятствовать его наполнению опять-таки свежим зарядом.
Идеального числа клапанов не существует. В конце концов, все определяет диаметр цилиндров в двигателе, а также цели, которые преследуются конструкторами при разработке того или иного силового агрегата. Низкие затраты на изготовление, высокая надежность и простота обслуживания — от таких преимуществ двухклапанных моторов отказываться неразумно. В то же время увеличение числа клапанов на цилиндр свыше четырех уже не дает сколь-нибудь заметных результатов — лучшее наполнение компенсируется повышенными потерями на трение в клапанном механизме.

Читайте также:  Какие двигатели гнут клапана на ваз 2110 16 клапанов

Чем больше клапанов приходится на каждый цилиндр, тем выше отдача двигателя. Мощность зависит от того, насколько быстро сгорает топливо в камере сгорания, а это, в свою очередь, зависит от скорости прохождения воздуха через двигатель. Воздух же поступает в мотор через «бутылочные горлышки» клапанов. Чем «шире» открываются клапаны (речь идет о произведении длины окружности на высоту подъема клапана) , тем лучше. Однако высота поднятия клапана небезгранична, так как может произойти контакт между клапаном и поршнем. Поэтому все определяет длина окружности отверстия клапана (не путать с площадью отверстия) .
Поупражняйтесь. Возьмите циркуль, лист бумаги и калькулятор. Элементарных навыков черчения и вычисления достаточно, чтобы понять, что чем больше маленьких кругов (клапанов) можно втиснуть в большой круг (цилиндр) , тем больше будет суммарная длина окружности седел клапанов. Но чтобы запихнуть в цилиндр больше клапанов, сами клапаны нужно делать меньше. Математические расчеты показывают, что наибольшего прироста суммарной длины окружности можно добиться при переходе от четного числа кругов к нечетному. Иначе говоря, если к двум клапанам добавить третий, выигрыш будет внушительным, а вот если к трем добавить четвертый, прирост окажется сравнительно небольшим. Пятый клапан опять даст существенный выигрыш в суммарной длине окружности. Втиснуть в окружность цилиндра больше пяти клапанов слишком сложно и поэтому непрактично.
У четырехклапанной схемы есть масса преимуществ. Свечу зажигания можно расположить строго по центру – в большинстве случаев такое положения является оптимальным. Впускные и выпускные клапаны можно скомпоновать параллельными парами в компактной шатровой камере сгорания, что обеспечивает эффективное сгорание рабочей смеси и снижает вредные выбросы. С пятью клапанами форма камеры сгорания неизбежно ухудшается, а соотношение площади ее поверхности к объему увеличивается, что приводит к снижению эффективности сгорания рабочей смеси.

Источник

Разборка ABW.BY. Раз, два, три, четыре, пять – вышел клапан погулять

Сколько клапанов нужно двигателю? Ответ на этот вопрос был дан еще за несколько лет до первой мировой войны, когда компания Peugeot представила ничем не примечательный внешне, но невиданно быстроходный для того времени автомобиль. После нескольких убедительных побед в европейских Гран-при машину отправили покорять Новый Свет, где в Индианаполисе она не замедлила оправдать самые худшие ожидания американских гонщиков, нанеся по их амбициям чувствительный удар.

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.

Читайте также:  На что приклеить унитаз к кафельной плитки

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?

За все надо платить. Увеличение количества клапанов не только улучшало наполнение цилиндров горючей смесью и удаление отработанных газов, но и вело к усложнению конструкции двигателя, что отражалось на стоимости производства, а с ним — на конечной цене автомобиля. Помимо этого приходилось учитывать, что эксплуатация более сложного двигателя предполагает увеличение затрат на его обслуживание и ремонт. Наконец, надежность. Были, оказывается, времена, когда производители относились к ней с большим трепетом, нежели сейчас, учитывая, что не ломается только та деталь, которой нет. При увеличении количества деталей растет и вероятность неисправностей. В общем, пришлось ждать, пока преимущества перевесят цену, которую за них необходимо было заплатить.

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.

Читайте также:  Для чего барабан мостового крана

Моторы с числом клапанов на цилиндр более двух начали появляться как грибы после дождя и стали вытеснять из производственных программ автозаводов стремительно устаревающие «двухклапанники». Дольше всех держались дизели, в основном из-за того, что были сравнительно малооборотными. Плюс к этому многие дизели были турбированными, а стало быть, воздух в их цилиндры поступал не за счет разряжения в освобождающемся над поршнем пространстве во время такта впуска, а принудительно нагнетался. Однако в конце концов сдались и они.

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.

Источник

Поделиться с друзьями
Дядя Валера