Двигатель с верхним расположением распредвала ( OHC ) — это поршневой двигатель , в котором распределительный вал расположен в головке блока цилиндров над камерой сгорания . [1] [2] Это контрастирует с более ранними двигателями с верхним расположением клапанов (OHV), в которых распределительный вал расположен под камерой сгорания в блоке цилиндров . [3]
Двигатели с одним верхним распредвалом (SOHC) имеют по одному распредвалу на ряд цилиндров . Двигатели с двойным верхним распредвалом (DOHC, также известный как «твин-распредвал» [4] ) имеют по два распредвала на ряд. Первый серийный автомобиль, в котором использовался двигатель DOHC, был построен в 1910 году. С 1940-х годов использование двигателей DOHC постепенно увеличивалось, что привело к тому, что к началу 2000-х годов многие автомобили стали использовать двигатели DOHC.
В двигателе с верхним расположением распределительного вала расположен в верхней части двигателя, над камерой сгорания . Это контрастирует с более ранними конфигурациями двигателей с верхним расположением клапанов (OHV) и двигателей с плоской головкой , в которых распределительный вал расположен внизу в блоке цилиндров . Клапаны как в двигателях с верхним расположением клапанов, так и в двигателях с верхним расположением клапанов расположены над камерой сгорания; однако двигателю с верхним расположением клапанов требуются толкатели и коромысла для передачи движения от распределительного вала к клапанам, тогда как в двигателе с верхним расположением клапанов клапаны приводятся в действие непосредственно распределительным валом.
По сравнению с двигателями с верхним расположением клапанов с таким же количеством клапанов в двигателе с верхним расположением клапанов меньше компонентов возвратно-поступательного движения и меньшая инерция клапанного механизма. Это снижение инерции в двигателях с верхним расположением клапанов приводит к меньшему смещению клапана на более высоких оборотах двигателя (об/мин). [1] Обратной стороной является то, что система, используемая для привода распределительного вала (обычно цепь привода ГРМ в современных двигателях), в двигателе с верхним расположением клапанов более сложна. [ нужна цитата ] Недостаток двигателей с верхним расположением распредвалов заключается в том, что во время ремонта двигателя, который требует снятия головки блока цилиндров, необходимо сбросить фазу газораспределения двигателя. Кроме того, для OHC требуется головка блока цилиндров большего размера, вмещающая распределительный вал или дополнительный клапан, чтобы получить больший объемный КПД , так что при том же рабочем объеме, что и у OHV, двигатель OHC будет намного больше из-за раздутой головки блока цилиндров.
Другим основным преимуществом двигателей с верхним расположением цилиндров является большая гибкость в оптимизации размера, расположения и формы впускных и выпускных отверстий, поскольку нет толкателей, которых следует избегать. [1] Это улучшает поток газа через двигатель, увеличивая выходную мощность и топливную экономичность .
Самая старая конфигурация двигателя с верхним расположением распредвала — это конструкция с одним верхним распредвалом (SOHC). [1] Двигатель SOHC имеет один распределительный вал на ряд цилиндров, поэтому прямой двигатель имеет всего один распределительный вал, а двигатель V или оппозитный двигатель имеет всего два распределительных вала (по одному на каждый ряд цилиндров).
Большинство двигателей SOHC имеют два клапана на цилиндр: один впускной и один выпускной клапан. [a] Движение распределительного вала обычно передается клапанам либо напрямую (с помощью толкателя), либо косвенно через коромысло . [1]
Двойной верхний распредвал , двойной верхний распредвал или двигатель с двумя распредвалами имеют два распределительных вала на каждый ряд головки блока цилиндров: [1] [2] один для впускных клапанов, а другой для выпускных клапанов. Таким образом, имеется два распределительных вала для двигателя с прямым расположением цилиндров и всего четыре распределительных вала для двигателя V или плоского двигателя.
V -образному двигателю или оппозитному двигателю для работы в качестве двигателя DOHC требуется четыре распределительных вала, поскольку для этих компоновок двигателей общее наличие двух распределительных валов приведет к тому, что на каждый ряд цилиндров будет только один распределительный вал. Некоторые V-образные двигатели с четырьмя распределительными валами продаются как двигатели с четырьмя распредвалами, [9] однако технически для «четырехраспредвалов» потребуется четыре распредвала на ряд цилиндров (т.е. всего восемь распредвалов), поэтому эти двигатели представляют собой просто двойной верхний распредвал. двигатели.
Большинство двигателей DOHC имеют четыре клапана на цилиндр. [b] Распределительный вал обычно управляет клапанами напрямую через толкатель ковша . Конструкция DOHC допускает более широкий угол между впускными и выпускными клапанами, чем в двигателях SOHC, что улучшает поток топливовоздушной смеси через двигатель. Еще одним преимуществом является то, что свечу зажигания можно разместить в оптимальном месте, что, в свою очередь, повышает эффективность сгорания. Еще одним новым преимуществом конструкции двигателя DOHC является возможность независимо изменять/фазировать синхронизацию между каждым распределительным валом и коленчатым валом, что обеспечивает лучшую экономию топлива за счет более широкой кривой крутящего момента. Хотя каждый крупный производитель имеет собственное торговое название для своей конкретной системы, в целом все они классифицируются как системы с регулируемой фазой газораспределения .
Вращение распределительного вала приводится в движение коленчатым валом . Во многих двигателях XXI века для привода распределительного вала используется зубчатый ремень ГРМ из резины и кевлара. [1] [10] Ремни ГРМ недороги, производят минимальный шум и не требуют смазки. [11] : 93 Недостатком ремней ГРМ является необходимость регулярной замены ремня; [11] : 94 Рекомендуемый срок службы ремня обычно варьируется примерно в пределах 50 000–100 000 км (31 000–62 000 миль). [11] : 94–95 [12] : 250 Если ремень ГРМ не будет заменен вовремя и выйдет из строя, а двигатель работает с помехами , возможно серьезное повреждение двигателя.
Первым известным автомобильным применением ремней ГРМ для привода верхних распределительных валов были специальные гоночные автомобили Devin-Panhard 1953 года , построенные для гоночной серии SCCA H, модифицированной в США. [13] : 62 Эти двигатели были основаны на двухцилиндровых двигателях Panhard OHV, которые были преобразованы в двигатели SOHC с использованием компонентов мотоциклетных двигателей Norton. [13] : 62 Первым серийным автомобилем, в котором использовался ремень ГРМ, было компактное купе Glas 1004 1962 года . [14]
Другой метод привода распределительного вала, обычно используемый в современных двигателях, — это цепь привода ГРМ , состоящая из одного или двух рядов металлических роликовых цепей . [1] [10] К началу 1960-х годов в большинстве серийных конструкций верхнего распределительного вала автомобилей использовались цепи для привода распределительного вала (ов). [15] : 17 Цепи ГРМ обычно не требуют регулярной замены, однако их недостатком является то, что они более шумные, чем ремни ГРМ. [12] : 253
Система зубчатой передачи между коленчатым валом и распределительным валом обычно используется в дизельных двигателях с верхним расположением распредвала, используемых в тяжелых грузовиках. [16] Зубчатые передачи обычно не используются в двигателях легких грузовиков или автомобилей. [1]
В некоторых двигателях с верхним расположением распределительного вала вплоть до 1950-х годов для привода распределительного вала использовался вал с коническими шестернями . Примеры включают Maudslay 25/30 1908–1911 годов , [17] [18] Bentley 3 Liter , [19] 1917-? Liberty L-12 , [20] MG Midget 1929–1932 годов , серия Velocette K 1925–1948 годов , [21] Norton International 1931–1957 годов и Norton Manx 1947–1962 годов . [22] В последнее время в мотоциклетных двигателях Ducati Single 1950–1974 годов , [23] 1973–1980 годов Ducati L-twin , 1999–2007 годов Kawasaki W650 и 2011–2016 годов мотоциклетные двигатели Kawasaki W800 использовали конические валы. [24] [25] Четырехцилиндровый двигатель Crosley был последним автомобильным двигателем, в котором использовалась конструкция башни вала для привода распределительного вала с 1946 по 1952 год ; права на формат двигателя Crosley были куплены несколькими различными компаниями, в том числе General Tire в 1952 году, за ней следовали Fageol в 1955 году, Crofton в 1959 году, Homelite в 1961 году и Fisher Pierce в 1966 году, после того как Crosley закрыл двери автомобильного завода, и они продолжали производить тот же двигатель еще несколько лет.
Привод распределительного вала с использованием трех параллельно соединенных кривошипов и тяг использовался в роскошном автомобиле Leyland Eight 1920–1923 годов , построенном в Соединенном Королевстве. [26] [27] [28] Похожая система использовалась в Bentley Speed Six 1926–1930 годов и Bentley 8 Liter 1930–1932 годов . [28] [29] Двухстержневая система с противовесами на обоих концах использовалась во многих моделях NSU Prinz 1958-1973 годов . [15] : 16-18
Среди первых двигателей с верхним расположением распредвала был двигатель Maudslay SOHC 1902 года, построенный в Великобритании [18] : 210 [15] : 906 [30] и двигатель Marr Auto Car SOHC 1903 года, построенный в Соединенных Штатах. [31] [32] Первым двигателем DOHC был рядный четырехцилиндровый гоночный двигатель Peugeot, который использовался на автомобиле, выигравшем Гран-при Франции 1912 года . Другой Peugeot с двигателем DOHC выиграл Гран-при Франции 1913 года , за ним последовал Mercedes-Benz 18/100 GP с двигателем SOHC, выигравший Гран-при Франции 1914 года .
Isotta Fraschini Tipo KM , построенный в Италии в 1910–1914 годах, был одним из первых серийных автомобилей, в которых использовался двигатель SOHC. [33]
Во время Первой мировой войны как союзные , так и центральные державы ; В частности , военно-воздушные силы Германской империи Luftstreitkräfte стремились быстро применить технологию верхнего распределительного вала гоночных двигателей к двигателям военных самолетов. Двигатель SOHC от автомобиля Mercedes 18/100 GP (выигравшего Гран-при Франции 1914 года) стал отправной точкой для авиационных двигателей Mercedes и Rolls-Royce. Компания Mercedes создала серию шестицилиндровых двигателей, кульминацией которой стал Mercedes D.III . Компания Rolls-Royce разработала конструкцию головки блока цилиндров Mercedes на основе гоночного автомобиля, оставшегося в Англии в начале войны, что привело к созданию двигателя Rolls-Royce Eagle V12. Другие конструкции SOHC включали испанский двигатель Hispano-Suiza 8 V8 (с полностью закрытой трансмиссией), американский двигатель Liberty L-12 V12, который во многом повторял конструкцию частично открытого клапанного механизма SOHC более поздней конструкции Mercedes D.IIIa; и дизайн Макса Фриза ; Немецкий рядный шестицилиндровый двигатель BMW IIIa . Двигатель DOHC Napier Lion W12 производился в Великобритании с 1918 года.
В большинстве этих двигателей использовался вал для передачи привода от коленчатого вала к распределительному валу в верхней части двигателя. Большие авиационные двигатели, особенно двигатели с воздушным охлаждением, подвергались значительному термическому расширению, в результате чего высота блока цилиндров менялась в зависимости от условий эксплуатации. Это расширение вызвало трудности для двигателей с толкателем, поэтому двигатель с верхним расположением распределительного вала, использующий привод вала со скользящей шлицем, был самым простым способом обеспечить это расширение. Эти конические валы обычно находились во внешней трубке снаружи блока и были известны как «башенные валы». [34]
Ранним американским двигателем с верхним распределительным валом был рядный восьмицилиндровый двигатель SOHC, который использовался в роскошном автомобиле Duesenberg Model A 1921–1926 годов . [35]
В 1926 году 3-литровый Super Sports Sunbeam стал первым серийным автомобилем, в котором использовался двигатель DOHC. [36] [37]
В Соединенных Штатах компания Duesenberg добавила двигатели DOHC (наряду с существующими двигателями SOHC) с выпуском в 1928 году модели Duesenberg Model J , которая была оснащена рядным восьмицилиндровым двигателем DOHC. Stutz DV32 1931–1935 годов был еще одним ранним американским автомобилем класса люкс, в котором использовался двигатель DOHC. Также в Соединенных Штатах в 1933 году был представлен гоночный двигатель DOHC Offenhauser . Этот рядный четырехцилиндровый двигатель доминировал в гонках с открытыми колесами в Северной Америке с 1934 по 1970-е годы.
Другими ранними автомобильными двигателями SOHC были Wolseley Ten 1920–1923 годов , MG 18/80 1928–1931 годов , Singer Junior 1926–1935 годов и Alfa Romeo 6C Sport 1928–1929 годов . Ранние мотоциклы с верхним распредвалом включали Velocette K Series 1925–1949 годов и Norton CS1 1927–1939 годов .
Crosley CC Four 1946–1948 годов, возможно, был первым американским автомобилем массового производства, в котором использовался двигатель SOHC. [38] [39] [40] Этот небольшой двигатель массового производства приводил в движение победителя гонки « 12 часов Себринга» 1950 года . [38] : 121
Использование конфигурации DOHC постепенно увеличилось после Второй мировой войны, начиная со спортивных автомобилей. К культовым двигателям DOHC этого периода относятся рядный шестицилиндровый двигатель Lagonda 1948–1959 годов , рядный шестицилиндровый двигатель Jaguar XK 1949–1992 годов и рядный четырехцилиндровый двигатель Alfa Romeo Twin Cam 1954–1994 годов. [41] [42] Рядный четырехцилиндровый двигатель Fiat Twin Cam 1966–2000 годов был одним из первых двигателей DOHC, в которых использовался зубчатый ремень ГРМ вместо цепи ГРМ. [43]
В 1980-х годах потребность в повышении производительности при одновременном снижении расхода топлива и выбросов выхлопных газов привела к увеличению использования двигателей DOHC в обычных автомобилях, начиная с японских производителей. [41] К середине 2000-х годов большинство автомобильных двигателей использовали компоновку DOHC. [ нужна цитата ]
В большинстве коммерческих дизелей OHC имеют зубчатый привод.
Верхние распределительные валы приводятся в движение коническими шестернями и вертикальными валами, известными как башенные валы.