Двигатель с верхним расположением клапанов

Двигатель с верхним расположением клапанов , сокращенно ( OHV ) и иногда называемый двигателем с толкателем , представляет собой поршневой двигатель , клапаны которого расположены в головке цилиндров над камерой сгорания . Это контрастирует с двигателями с плоской головкой (или «боковыпускными») , где клапаны располагались под камерой сгорания в блоке двигателя .

Хотя двигатель с верхним распредвалом (OHC) также имеет верхние клапаны, общее использование термина «двигатель с верхним расположением клапанов» ограничивается двигателями, в которых распредвал расположен в блоке двигателя. В этих традиционных двигателях OHV движение распредвала передается с помощью толкателей (отсюда и термин «двигатель с толкателем») и коромысла для управления клапанами в верхней части двигателя. Однако в некоторых конструкциях распредвал находится в головке блока цилиндров, но все равно находится ниже или рядом с клапанами ( хорошими примерами являются Ford CVH и Opel CIH ), поэтому их по сути можно считать конструкциями с верхним расположением клапанов.

В некоторых ранних двигателях с впуском и выпуском использовалась гибридная конструкция, сочетающая элементы как боковых клапанов, так и верхних клапанов. ^[1]

Первые двигатели внутреннего сгорания были основаны на паровых двигателях и поэтому использовали золотниковые клапаны . ^[2] Так было с первым двигателем Отто , который впервые успешно запустили в 1876 году. Поскольку двигатели внутреннего сгорания начали разрабатываться отдельно от паровых двигателей, тарельчатые клапаны стали все более распространенными.

Начиная с Daimler Reitwagen 1885 года , несколько автомобилей и мотоциклов использовали впускной клапан(ы), расположенный в головке цилиндров, однако эти клапаны были вакуумно-приводными («атмосферными»), а не приводились в действие распределительным валом, как в типичных двигателях OHV. Выпускной клапан(ы) приводился в действие распределительным валом, но был расположен в блоке двигателя, как в двигателях с боковым расположением клапанов.

Прототип дизельного двигателя 1894 года использовал верхние тарельчатые клапаны, приводимые в действие распределительным валом , толкателями и коромыслами , ^{[3] [4]} таким образом, став первым двигателем OHV. В 1896 году Уильям Ф. Дэвис получил патент США 563,140 на двигатель OHV с жидкостным хладагентом, используемым для охлаждения головки цилиндра, ^{[5] [6],} но рабочая модель не была построена.

В 1898 году производитель велосипедов Уолтер Лоренцо Марр в Соединенных Штатах построил моторизованный трехколесный велосипед, работающий на одноцилиндровом двигателе OHV. ^[7] Марр был нанят Buick (тогда называвшемся Buick Auto-Vim and Power Company ) с 1899 по 1902 год, где конструкция двигателя с верхним расположением клапанов была дополнительно усовершенствована. ^[8] В этом двигателе использовались коромысла с толкателем, которые, в свою очередь, открывали тарельчатые клапаны параллельно поршням. Марр вернулся в Buick в 1904 году (построив небольшое количество Marr Auto-Car , с одним из первых известных двигателей, использующих конструкцию с верхним расположением распределительного вала), в том же году, когда Buick получил патент на конструкцию двигателя с верхним расположением клапанов. В 1904 году был выпущен первый в мире серийный двигатель OHV в Buick Model B. Двигатель был плоскоцилиндровым с двумя клапанами на цилиндр. Двигатель оказался очень успешным для Buick: в 1905 году компания продала 750 таких автомобилей, и с тех пор двигатель OHV устанавливается практически на все автомобили Buick.

Несколько других производителей начали выпускать двигатели OHV, такие как вертикальный 4-цилиндровый двигатель братьев Райт 1906–1912 годов . ^{[9] [10]} В 1911 году Chevrolet присоединился к Buick в почти исключительном использовании двигателей OHV. ^[11] Однако двигатели с плоской головкой и боковым расположением клапанов оставались обычным явлением в США до середины-конца 1950-х годов, ^[12] когда они начали постепенно заменяться двигателями OHV.

Первый двигатель с верхним распредвалом (OHC) появился в 1902 году в Марре ; ^[13] однако использование этой конструкции в основном ограничивалось высокопроизводительными автомобилями в течение многих десятилетий. Двигатели OHC постепенно становились все более распространенными с 1950-х по 1990-е годы, и к началу 21-го века большинство автомобильных двигателей (за исключением некоторых североамериканских двигателей V8) использовали конструкцию OHC. ^[14]

На гонке Indianapolis 500 1994 года команда Penske выставила автомобиль, оснащенный двигателем Mercedes-Benz 500I с толкателем, изготовленным по индивидуальному заказу. Из-за лазейки в правилах двигатель с толкателем мог использовать больший рабочий объем и более высокое давление наддува, что значительно увеличило его выходную мощность по сравнению с двигателями OHC, используемыми другими командами. Команда Penske квалифицировалась на поул-позиции и выиграла гонку с большим отрывом.

В начале 21-го века несколько двигателей V8 с толкателем от General Motors и Chrysler использовали отключение цилиндров для снижения расхода топлива и выбросов выхлопных газов. В 2008 году первый серийный двигатель с толкателем, использующий изменяемую фазу газораспределения, был представлен в Dodge Viper (четвертое поколение) . ^[15]

Двигатели OHV имеют ряд преимуществ по сравнению с двигателями OHC:

• Меньшая общая компоновка: конструкция кулачкового блока двигателя OHV приводит к меньшему общему размеру по сравнению с эквивалентным двигателем OHC, который может иметь некоторые преимущества в центре тяжести и высоте капота в конструкциях V-образных двигателей. ^[16]
• Использование одинаковой отливки головки блока цилиндров для обоих рядов цилиндров: конструкция двигателя V-типа позволяет обеим головкам блока цилиндров быть зеркальными отражениями друг друга в передней части каждого ряда цилиндров. В конструкции двигателя V-типа OHV можно использовать одинаковую отливку головки блока цилиндров для обоих рядов, просто перевернув ее для второго ряда. Семейство двигателей General Motors LS small block является популярным примером таких двигателей OHV V-типа.
• Более простая система привода распредвала: двигатели OHV имеют менее сложную систему привода для распредвала, чем двигатели OHC . ^[16] Большинство двигателей OHC приводят в движение распредвал или распредвалы с помощью ремня ГРМ , цепи или нескольких цепей. Эти системы требуют использования натяжителей , что добавляет сложности. Напротив, двигатель OHV имеет распредвал, расположенный близко к коленчатому валу, который может приводиться в движение гораздо более короткой цепью или даже прямым зубчатым соединением. Однако это несколько сводится на нет более сложным клапанным механизмом, требующим толкателей.
• Более простая система смазки: требования к смазке для головок цилиндров OHV намного ниже, так как они обычно имеют один распределительный вал в блоке, тогда как двигатель OHC может иметь два на ряд цилиндров, требуя масляных каналов через головку цилиндров. Головки OHV нуждаются только в смазке для коромысел на конце толкателя, цапфы и кончика коромысла. Эта смазка обычно обеспечивается через сами полые толкатели, а не через специальную систему смазки в головке. Сниженные требования к смазке также могут означать, что используется меньший, менее производительный масляный насос.

По сравнению с двигателями OHC двигатели OHV имеют следующие недостатки:

• Ограниченные обороты двигателя: хотя двигатели OHV имеют более простые системы привода для распределительного вала, в клапанном механизме больше движущихся частей (т. е. толкатели, толкатели и коромысла). Инерция от этих частей клапанного механизма делает двигатели OHV более восприимчивыми к зависанию клапана на высоких оборотах двигателя (RPM). ^[1]
• Ограничения по количеству и расположению клапанов: в двигателях OHV размер и форма впускных отверстий, а также положение клапанов ограничены толкателями и необходимостью их размещения в отливке головки. В результате двигатель OHV редко имеет более двух клапанов на цилиндр, в то время как двигатели OHC часто имеют четыре, что обеспечивает более высокие скорости сгорания и выхлопа. ^[17]