5 недостатков двигателей с толкателем

Большинство автомобильных двигателей относятся к одной из трех категорий: одинарный верхний распредвал (SOHC), двойной верхний распредвал (DOHC) и верхний клапан (OHV). Хотя какого черта все это? Короче говоря, это то, что определяет клапанный механизм вашего автомобиля — то, как топливо попадает в камеру сгорания и выходит выхлопные газы. По сути, разные двигатели имеют разные настройки, каждый из которых имеет свои плюсы и минусы.

Что такое конфигурация верхнего клапана и почему ее иногда называют двигателем с толкателем? Конструкция с верхним расположением клапанов — единственная, в которой используются прочные толкатели. Но что такое толкатели? Хорошо, представьте себе V8. В нижней части буквы V, где находится коленчатый вал, есть еще один вал — распределительный вал вашего автомобиля. Он управляет всеми клапанами, расположенными в верхней части буквы V. Но как заставить вращающийся вал перемещать группу клапанов до самого верха? Вам нужно буквально протянуть руку и надавить на них — это работа толкателя. Это физический стержень, который проходит через блок двигателя и перемещает клапан вверх и вниз вместе с кулачками распределительного вала.

Эта установка имеет свои преимущества. Это простая и компактная конструкция, обеспечивающая низкий крутящий момент. Здесь нет сложных ремней и шкивов ГРМ, поэтому работать с ним относительно легко. Но у него также есть ряд недостатков, что делает его в наши дни несколько более нишевым вариантом двигателя по сравнению с прошлым годом. Давайте рассмотрим некоторые из этих недостатков и почему они так важны.

Это своего рода уловка-22, если вы автомобильный дизайнер, потому что, возможно, вам нужно что-то более современное. Например, что-то вроде дизельного грузовика, маслкара с традиционным двигателем V8 или 4×4 с большим крутящим моментом — все это отличное применение для двигателей с толкателем, потому что они по своей природе лучше работают на более низких оборотах. Но это связано с тем, что вы просто не сможете получить от них более высокие обороты без специального клапанного механизма, предотвращающего всплывание клапана.

Проблема в возвратно-поступательной массе. Чтобы топливо попало в двигатель, вам нужно открыть клапан, который затем немедленно закроется; это предотвращает выход топлива обратно из впуска или прямое попадание в выхлоп. Это герметичное уплотнение также имеет решающее значение для поддержания сжатия, поэтому вам необходимо рассчитать время открытия и закрытия клапанного механизма через определенные промежутки времени. А как это сделать с помощью толкателей?

Это относительно легко на низких оборотах, когда толкатели и пружины клапанов успевают вернуться в исходное положение при каждом обороте. Но чем быстрее работает двигатель, тем больший импульс придется преодолеть всем этим частям. В какой-то момент они просто не поспеют. Клапан будет оставаться открытым слишком долго. Это называется поплавком клапана, и оно может привести к полной поломке некоторых двигателей. Если ваш поршень ударится об открытый клапан, что-то обязательно сломается; у вас либо погнутый клапан, либо дырка в головке поршня. Ни один из сценариев не является идеальным, если вы хотите, чтобы ваш двигатель продолжал работать.

Следующий вопрос: как на самом деле вставить толкатели в блок двигателя? Вам нужны каналы по обе стороны стенок цилиндра. Распредвал толкает их вверх по каналам, а они толкают клапаны вниз. Ладно, с такими штучками, как гидрокомпенсаторы, немного сложнее — как цельнолитые, так и гидрокомпенсаторы, причем первые из них считаются архаичными. Но здравый смысл заключается в том, что вам нужно физическое пространство, чтобы вместить все это.

В этом заключается вторая проблема. Предположим, вы производитель, который хочет создать 16-клапанный четырехцилиндровый двигатель, то есть по четыре клапана на цилиндр. Теперь у вас есть гораздо более сложная установка с гораздо большей возвратно-поступательной массой, что возвращает нас к исходной проблеме плохой работы с приложениями с высокой скоростью вращения. Но такая установка идеально подходит для дизелей из-за их более низких оборотов. Возьмем, к примеру, 6,6-литровый Duramax — это конструкция с верхним расположением клапанов и четырьмя клапанами на цилиндр. Так что это, безусловно, возможно, поскольку в конструкциях с несколькими клапанами используются специальные вилочные компоненты для одновременного приведения в действие двух клапанов. Но это также более сложная и узкоспециализированная задача, чем просто установка верхней камеры в легковом автомобиле.

Вся идея верхнеклапанного двигателя в пассажирском автомобиле заключается в том, чтобы сделать его относительно простым, недорогим, эффективным и компактным. Да, большее количество клапанов оказывает большое влияние на производительность вашего двигателя. Чем больше количество клапанов, тем лучше при более высоких оборотах. Повторим еще одно преимущество конструкций толкателей: они лучше всего работают на низких оборотах. Поэтому, если это не специализированная роль, такая как двигатель грузовика, производители, очевидно, считают, что эти недостатки не перевешивают преимущества.

Изменение фаз газораспределения — одна из тех загадочных функций, для понимания которых требуется некоторое интуитивное мышление. В двигателях с толкателем краткий ответ — давление масла: вы используете давление масла в двигателе для соответственного опережения или замедления фаз газораспределения. Что это значит? По сути, когда двигатель работает интенсивнее и имеет более высокое давление масла, он будет держать клапаны открытыми в определенное время, оптимизированное для более высокой производительности. На холостом ходу клапаны открываются в разное время, что лучше для эффективности и низкого крутящего момента.

VVT имеет решающее значение, поскольку позволяет автопроизводителям создавать двигатели без ущерба для характеристик клапанного механизма. В фиксированной конфигурации вы можете настроить оптимальную работу клапанов на низких, средних или высоких оборотах. Изменяемые фазы газораспределения позволяют вам не только съесть свой пирог, но и съесть его. Так почему же у двигателей с толкателем с этим проблемы?

Чтобы внести ясность, так же, как и четырехклапанные двигатели с толкателем, VVT действительно существует для применений с толкателем, особенно в серии GM LT с 2007 года. Проблема присуща конструкции двигателя с толкателем — все двигатели OHV используют только один распределительный вал для всего. Это означает, что вы не можете независимо изменять синхронизацию впускных и выпускных клапанов, как это можно сделать в случае с DOHC, преимуществом которого являются два распределительных вала, по одному на каждый ряд клапанов. Кроме того, заводской двигатель GM LT использует базовую настройку VVT без регулируемых кулачков кулачков, что означает, что он может контролировать только время открытия клапанов, а не то, как долго они остаются открытыми. Для этого вам понадобятся запасные части. Но это помогает объяснить, почему GM продолжает использовать конструкции толкателей, в то время как другие ушли дальше.

Клапанный механизм автомобиля похож на сложный синхронный танец. Если смотреть в замедленной съемке, это похоже на балет, который трудно понять, поскольку все движущиеся части поднимаются и опускаются и вращаются между блоком двигателя и головкой блока цилиндров.

Начнем с того, что у вас есть распределительный вал, который приводится в движение цепью, идущей от коленчатого вала двигателя. Распределительный вал имеет лепестки, которые действуют как пальцы. Когда выступ давит на подъемник, подъемник воздействует на толкатель и толкает этот стержень вверх. Шток соединен с коромыслом, который действует как точка опоры. Он опускается, когда стержень поднимается вверх. Это движение вниз затем толкает клапан, который открывает его и впускает топливно-воздушную смесь. Достаточно сложно?

Проще говоря, вы преобразуете энергию вращающегося предмета в форме яйца в движение вверх и вниз. Для этого вам нужно либо нажать непосредственно на сам клапан, как это делает конструкция с верхним кулачком, либо вам нужен какой-то способ механически дотянуться вверх и нажать на него за вас. Огромная рука проходит через двигатель, добавляя множество дополнительных шагов в этот процесс. Каждый из этих шагов требует отдельных компонентов. Толкатели, толкатели, коромысла, кулачки и цепь, клапанные пружины, направляющие и т. д. Все они, как и любые другие движущиеся части, нуждаются в регулярном обслуживании. Конечно, конструкции верхних распредвалов также сложны, но это главным образом потому, что они имеют сложные ремни или цепи ГРМ, а иногда и два или четыре распределительных вала. У них нет толкателей и коромысел.

Допустим, вы включаете машину утром и замечаете отчетливый тикающий шум, поэтому открываете капот и нацеливаетесь на определенную часть блока двигателя. Он слабый, возможно, даже возникли пропуски зажигания, а холостой ход звучит совсем не так. Все это указывает на погнутый или сломанный толкатель.

Толкатели представляют собой длинные металлические стержни диаметром примерно со строительный гвоздь. Если вы ездите на машине с очень большим пробегом, давно не меняли масло или ваша машина сильно перегревается, этот металл может погнуться или повредиться. Это потому, что, как и все остальное, что движется в двигателе и сделано из металла, оно нуждается в адекватной смазке. Контакт металла с металлом быстро нагревается, и это тепло может затем деформировать или ослабить толкатель. Более того, плохой коромысло, скорее всего, приведет к плохому толкателю, поскольку они напрямую связаны друг с другом — толкатель действует на коромысло как рычаг, открывая и закрывая клапан.

По сути, толкатели представляют собой критические слабые места, если ваш двигатель перегревается и металл расширяется, или масло плохое, и вы увеличиваете трение и так далее. Гидравлические подъемники могут даже заесть, потенциально погнув толкатели из-за избыточного давления — и это не входит в такт подъемника. В большинстве старых двигателей вы можете снять клапанную крышку и непосредственно осмотреть коромысла — если вы видите какие-либо из них, которые не двигаются, или движутся хаотично, или явно повреждены, скорее всего, толкатель или толкатель тоже вышли из строя.