Четырехтактный двигатель

В то время как четырехтактный двигатель может устранить многие из недостатков, свойственных двухтактному, у него есть свои собственные недостатки. В итоге нельзя сказать, какой из них лучше другого, все зависит от предназначения двигателя. У каждого двигателя есть свое место в мире мотоциклов, где он работает наилучшим образом и идеально подходит для этого, как ни один другой.

Пока сложно оспаривать достоинство четырехтактных двигателей с точки зрения расхода топлива и уровней выбросов, однако их повышенная сложность означает удорожание производства, что приводит к сложившейся ситуации, благодаря которой двухтактные двигатели идеальны для небольших мотоциклов серийного производства и скутеров, стоимость которых относительно невысока (хотя по-прежнему они занимают свое место среди спортивных машин с высокими показателями, по крайней мере, в настоящее время). Четырехтактные двигатели идеальны для большинства мотоциклов от 125 куб.см. и выше, от учебного мотоцикла до спортивных машин большой кубатуры с отличными, характеристиками. В свое время были распространены двухтактные двигатели среднего объема (от 250 до 750 куб см.), которые очень активно противостояли четырехтактным двигателям равного или большего объема, но те дни прошли, и теперь редко встретишь на дороге двухтактник объемом больше 250 куб, см.

Впуск, сжатие, воспламенение, выпуск

В двухтактных двигателях внутреннего сгорания четыре процесса (наполнение, сжатие.рабочий ход и выпуск.или каких иногда называют: впуск, сжатие, воспламенение, выпуск) взаимопереплетены, в четырехтактном двигателе границы между процессами более четкие, и в принципе каждому процессу отведен свой такт в цикле (хотя на практике, это не совсем так).

Конструктивно четырехтактный двигатель подобен двухтактному и состоит из основных узлов, а именно: поршня, цилиндра, шатуна и коленчатого вала. Однако у него есть множество дополнительных узлов и деталей, в совокупности известных как клапанный механизм, который служит для управления и задания фаз впуска и выпуска. Управление наполнением происходит при помощи впускного клапана, а выпуском управляет выпускной клапан, в принципе в четырехтактном двигателе они заменяют поршень и дисковый или лепестковый клапан. Можно рассмотреть множество различных схем, но все они отражают различные подходы к достижению одного и того же конечного результата.

В четырехтактном двигателе поступающая смесь попадает непосредственно в камеру сгорания, и картер больше не участвует в процессе наполнения. Несмотря на усложнение конструкции и уменьшение числа рабочих тактов вдвое, появляется возможность точнее управлять процессами впуска и выпуска и, таким образом, обеспечивать достаточно высокую эффективность двигателя.

Отличительной особенностью всех четырехтактных двигателей являются клапана, если говорить точнее — тарельчатые клапана, через которые смесь попадает в камеру сгорания, а иные газы отводятся из нее. Во всех современных конструкциях клапана спроектированы исходя из формы головки цилиндра. До 50-х годов прошлого века существовало много машин, у которых клапана открывались вверх в полость камеры сгорания, расположенную сбоку от цилиндра. Такие двигатели носят название нижнеклапанных или двигателей с боковым расположением клапанов, Хотя они проще в изготовлении, их эффективность ниже по сравнению с двигателями с верхним расположением клапанного механизма. Тарельчатый клапан состоит из круглой тарелки, прикрепленной к длинному стержню, и похож на гвоздь с большой шляпкой. У тарелки клапана есть коническая уплотняющая поверхность, переходящая в стержень клапана.которая предназначена для уплотнения по соответствующей поверхности седла, расположенного в головке цилиндра (или полости камеры сгорания на нижнеклапанных двигателях). Стержень клапана проходит через направляющую в головке цилиндра и выступает снаружи.

Клапан самостоятельно закрывается и удерживается в закрытом положении сильной пружиной (иногда применяются две пружины), которая зафиксирована упором пружины, в свою очередь, закрепленном при помощи двух сухарей, установленных в канавку в верхней части стержня клапана. Привод клапанов может быть различным, но принцип один и тот же, вне зависимости от схемы газораспределительного механизма, однако за исключением распредвала используемые при этом детали сильно отличаются.

Распредвал можно обнаружить на всех традиционных четырехтактных двигателях с тарельчатыми клапанами. Непосредственно или косвенно он используется для открытия и закрытия каждого клапана в заданной точке четырехтактного цикла. В связи стем, что цикл занимает четыре хода поршня (которые соответствуют двум полным оборотам коленчатого вала) и тем, что каждый клапан необходимо открыть один раз за цикл, частота вращения распредвала вдвое меньше частоты вращения коленчатого вала. Это означает, что за время двух полных оборотов коленчатого вала распредвал совершает один оборот, Это осуществляется за счет простого шестеренчатого, цепного или ременного привода между этими валами, при этом у шестерни или звездочки,установленной на коленчатом валу, вдвое меньшее число зубьев по сравнению с ответной деталью, установленной на распредвале.

По длине распредвала выполнены выступы механизма и открытия в заданный момент называемые кулачками, которые служат для времени соответствующего клапана.

Конструкция четырехтактного двигателя — клапанный механизм

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.

Системы впуска четырехтактных двигателей — альтернативы таральчатым клапанам

Развитие четырехтактной системы впуска шло по пути устранения, насколько это возможно, поступательно движущихся узлов клапанного механизма. В то время, как схема DOHC максимально приблизилась к этой цели, сам тарельчатый клапан остается ограничивающим фактором. Тарельчатый клапан успешно работает, но обладает очевидными недостатками. Кроме того, что он относится к возвратно-поступательно движущимся массам, он также представляет собой значительную преграду для поступающей смеси, тем самым порождая нежелательную турбулентность и сопротивление, которые препятствуют наполнению цилиндра. При разработке современных конструкций прилагается множество усилий для компенсации этих недостатков, но основные проблемы по прежнему остаются. За последние годы было предпринято бесчисленное количество попыток заменить тарельчатый клапан альтернативной системой клапанов, среди них наиболее обнадеживающим выглядит схема с вращающимся крестообразным клапаном. Он представляет собой полый цилиндр, установленный поперек головки цилиндра в специальной камере. Цилиндр клапана вращается с частотой, вдвое меньшей частоты вращения коленчатого вала двигателя, при этом прорезь в его стенке совпадает с впускным или выпускным отверстием в соответствующей точке цикла двигателя. Таким образом, клапанный механизм приводится в действие аналогично дисковому клапану двухтактных двигателей и обеспечивает свободное поступление газа в камеру сгорания. Компания Norton опробовала такие клапана на своих спортивных двигателях в начале 50-х годов XX века, но, столкнувшись с проблемой уплотнений, впоследствии вернулась к тарельчатым клапанам.

Наряду с золотниковым клапаном и клапаном типа Aspin , вращающийся крестообразный клапан был отвергнут,главным образом, из-за свойственных ему проблем герметизации, а тарельчатый клапан занимал достаточно прочные позиции для того, чтобы заставить изготовителей отказаться от дальнейших исследований. Однако концепция вращающегося клапана не забыта, и уже существует четырехтактный двигатель, в котором не используются тарельчатые клапана. Он представляет собой вращающийся цилиндр с окнами. Привод цилиндра осуществляется от коленчатого вала при помощи шестеренчатой передачи, частота вращения цилиндра ниже скорости коленчатого вала вдвое.

Существенная особенность этого двигателя — поршень, поступательно движущийся в том же самом цилиндре, то есть герметизацию обеспечивает стандартный поршень и его кольца. Посути это совмещение конструкций вращающихся клапанов, упомянутых выше, и системы каналов, используемой на двухтактном двигателе.

Фазы газораспределения четырехтактных двигателей

Естественно, что впускной клапан должен быть открыт во время такта впуска, выпускной — во время такта выпуска. Но на самом деле двигатель с такими фазами газораспределения будет обладать очень скромными характеристиками.

Моменты открытия и закрытия впускного клапана

Механизм газораспределения спроектирован тж. что впускной клапан открывается до того, как поршень окажется в ВМТ (в конце такта выпуска), а закрывается после прохождения поршнем НМТ (в начале такта сжатия). Для этого существуют очень серьезные основания. Во-первых, клапан на может открыться мгновенно. Так, если бы впускной клапан начал открываться в ВМТ, то он не был бы полностью открыт до тех пор, пока поршень не сместился бы в цилиндре на некоторое расстояние от ВМТ, и, если бы он полностью закрывался к тому моменту времени, когда поршень окажется в НМТ, то сокращалось бы фактическое время полного открытия клапана: при этом величина подъема (величина, на которую клапан выступит в цилиндр при полном открытии) будет невелика из-за времени, потраченного на открытие и закрытие. Это снизило бы количество смеси, поданной в цилиндр, а следовательно, и индикаторный КПД двигателя. Во-вторых, поступающая смесь обладает массой, и она по инерции стремится продолжать перемещение по мере поступления в цилиндр. Если впускной клапан остается открытым после НМТ, то импульс смеси способствует большему наполнению даже тогда, когда поршень начинает двигаться вверх. Угол, который коленчатый вал пройдет от НМТ до момента закрытия впускного клапана, называется «запаздыванием закрытия впускного клапана».

Моменты открытия и закрытия выпускного клапана

По аналогии с впускными клапанами в конструкцию заложено, чтобы выпускной клапан открывался до достижения поршнем НМТ (к концу рабочего хода), а закрывался после прохождения поршнем ВМТ, (в начале такта впуска). Кроме гарантии полного открытия клапана в начале такта выпуска, опережение открытия клапана предотвращает формирование демпфирующего воздействия отработавших газов (находящихся под высоким давлением), препятствующего подъему поршня в цилиндре.

Закрытие клапане после ВМТ обеспечивает полную очистку цилиндра, так как впускной клапан открывается до ВМТ на такте впуска (что означает, что оба клапана открыты одновременно), а вырывающиеся наружу отработавшие газы создают разрежение во впускном тракте, что способствует проникновению свежей смеси в цилиндр. Наполнение цилиндра свежей смесью способствует вытеснению отработавших газов. Угол, который пройдет коленчатый вал после открытия выпускного клапана до НМТ, называется «опережением открытия выпускного клапана». Угол, который коленчатый вал проходит за время, когда вблизи ВМТ одновременно открыты впускной и выпускной клапана, называется «перекрытием». Угол, в течение которого открыт клапан, называется «продолжительностью»

Опережение, запаздывание и перекрытие

Величина опережения, запаздывания и перекрытия определяет рабочие характеристики двигателя, а предназначение двигателя определяет моменты задания открытия или закрытия клапанов. Например, низкооборотные двухцилиндровые длинноходные двигатели, используемые в «кастомах» и «круиэерах», должны обладать большим запасом тяги на низах в виде крутящего момента. Их фазы газораспределения будут сильно отличаться от фаз высокооборотных многоцилиндровых короткоходных двигателей, применяемых на спортивных мотоциклах, мощность которых должна быть высокой при больших частотах вращения. Это связано с тем, что фазы газораспределения влияют на то, при каких частотах вращения достигаются максимальные крутящий момент и мощность. По мере роста частоты вращения на процессы, происходящие в двигателе, отводится меньше времени, поэтому высокооборотным двигателям требуются большие по сравнению с низкооборотными перекрытие, опережение открытия и запаздывание закрытия клапанов, чтобы впустить большее количество смеси за меньший период времени. Однако при большом перекрытии клапанов получаются невысокие характеристики при низких частотах вращения, поскольку у поступающей свежей смеси есть время, чтобы покинуть цилиндр по кратчайшему расстоянию прямо через выпускной канал. В низкооборотном двигателе на происходящие в двигателе процессы отводится большее количество времени, а необходимая величина перекрытия углов опережения открытия и запаздывания закрытия клапанов — меньше, благодаря этому достигается эффективное наполнение и продувка при низких частотах вращения двигателя. Однако это означает, что времени для подачи достаточного количества смеси недостаточно для получения удовлетворительных характеристик при высоких частотах вращения. Существует «золотая середина» между крайностями: спортивным мотоциклом и «кастомом» или «круизером», и можно получить хорошее распределение мощности во всем диапазоне частот вращения, хотя в этом случае ни «тяга на низах», ни высокая максимальная мощность не будет характерна.

Изменяемые фазы газораспределения

Каждый двигатель с постоянными фазами газораспределения — своего рода компромисс. Каждая частичка дополнительной мощности, полученной при высоких частотах вращения за счет более широких фаз газораспределения, приводит к потере крутящего момента и мощности при низких частотах вращения, и наоборот.

Термин «изменяемые фазы газораспределения» означает, что для любой заданной частоты вращения двигателя можно оптимизировать величины перекрытия, опережения открытия, запаздывания закрытия и продолжительности открытия клапанов. В начале 80-х годов XX века компания Honda разработала систему для 16-клапанного двигателя, в которой было применено дуплексное коромысло для использования при низких частотах вращения только двух из четырех клапанов в каждом цилиндре. При заданной частоте вращения оно блокировалось с дополнительным коромыслом для использования всех четырех клапанов. Система получила дальнейшее развитие за счет применения трех кулачков распредвала на одно дуплексное коромысло; центральный кулачок такого распредвала обладал большими подъемам и продолжительностью открытия клапана, чем два внешних. Это позволяло использовать при низких частотах вращения двигателя все четыре клапана за счет меньшего подъема и продолжительности открытия, затем при заданной частоте вращения для привода коромысел использовался третий кулачок, а величина подъема и продолжительность открытия возрастала. Самая последняя разработка компании Honda система — Hyper V-TEC, представленная на предназначенной для японского рынка модели Honda СВ400 Super Four в 1999 году и использованная на модели Honda VFR800 2002 года. Она возвращается к схеме, когда при низких частотах вращения работают два клапана, а при высоких-четыре, но отказывается от сложной конструкции с коромыслами, которые добавляют возвратно-поступательно движущихся масс.

В цилиндре привод пары клапанов (впускной и выпускной) осуществляется традиционными «чашеобразными» толкателями, которые работают постоянно. Привод другой пары клапанов осуществляется «чашеобразными» толкателями, которые также работают все время, но в каждом толкателе присутствует палец с отверстием, установленный между толкателем и стержнем клапана. При низких скоростях вращения отверстие располагается напротив стержня клапана, тогда контакт с толкателем отсутствует, и клапан остается закрытым. При заданной скорости открывается масляная магистраль, и под давлением масла палец располагается так, что отверстие уже не совпадает со стержнем клапана. В этом случае толкатель через палец и открывает клапан.

Компания Suzuki для моделей Suzuki GSF 400 Bandit и Suzuki RF400 , предназначенных для японского рынка, разработала свою систему изменяемых фаз газораспределения. В этой системе используется электрический привод в виде сервомотора, установленного на клапанной крышке двигателя. При заданной частоте вращения двигателя сервомотор приводит в действие дополнительные клапана при помощи реечно-шестеренчатого механизма