Как известно некоторым из интересующихся устройством двигателей внутреннего сгорания товарищей, в двухтактных двигателях обычно нет никаких клапанов — впуск рабочей смеси и выпуск отработанных газов переключается непосредственно движущимся поршнем, перекрывающим окна, сделанные в гильзе цилиндра.

К сожалению, в 4-тактном моторе так сделать не получается — а хочется. В процессе этого хотения сначала появилась схема четырехтакного мотора, в котором в одном цилиндре движутся два поршня, причем движутся в разных фазах — один поршень осуществляет открытие окон для впуска и продувки, а второй — для выпуска отработанных газов. Однако затем хитрые немцы из Даймлер-Бенца придумали схему 4-тактного мотора с подвижной гильзой цилиндра, позволяющую обойтись одним поршнем.

Особенно забавно, что движущей силой всей этой суеты являлась шумность тогдашних ДВС. Причем в те времена механизмы газораспределения с тарельчатыми клапанами были настолько шумными, что своим стуком и лязгом перекрывали шум выхлопа. И никому в то время еще не было известно, что причина шума скрывается в кулачках распредвала. В дальнейшем, найдя оптимальные формы кулачков с малыми скоростями посадки клапанов на седла — меньше 1 м/сек., удалось добиться приемлемого уровня шума в клапанном механизме газораспределения. А пока этого не было, гильзовое газораспределение представляло большой интерес с точки зрения снижения шумности.

Первая, еще двойная возвратно-поступательная гильза, была разработана инженерами Даймлер-Бенца, а реализована в серийных моторах она была американцем Чарльзом Найтом (Knight — была когда-то такая марка автомобилей).

В двигателе Найта использовались две концентричные возвратно-поступательно движущиеся гильзы. Они приводились в действие от промежуточного вала, вращающегося со скоростью вдвое меньшей, чем коленчатый вал. Этот механизм очень хорошо работал в двигателях с относительно небольшой мощностью, и широко использовался на дорогих комфортабельных автомобилях, где ценились бесшумность и удобства пассажиров.

Но при попытках получить высокую литровую мощность двигатели с двойной гильзой из-за масляного голодания развитых поверхностей трения становились причиной выхода из строя двигателя, и поэтому от них довольно быстро отказались.

Проблему надежности решила конструкция, запатентованная американцами Бертом и Мак-Колумом. В этой системе уже применялась всего одна гильза, зато с комбинированным вращательным и возвратно-поступательным движением. Такое движение полностью решало проблему смазки, так как невозможно найти более идеального движения для распространения и механического распределения смазки между двумя трущимися поверхностями.

Автомобили с подобными двигателями имели значительный коммерческий успех, а в начале 1914 года фирма «Агрилл» представила на конкурс двигателей для военной авиации построенный по такой схеме шестицилиндровый рядный двигатель с гильзовым газораспределением. Двигатель показал хорошие результаты, но перед окончанием испытаний у него сломался коленвал. Эта случайность привела к тому, что двигатели с гильзовым газораспределением не стали широко распространены в авиации. Хотя тому были все предпосылки.

Спустя несколько лет в Англии работами по двигателям с гильзовым газораспределением занялся выдающийся инженер, выпускник Кембриджа Sir Harry R. Ricardo. Он поставил работу по доводке этой схемы на научную основу — и получил ряд весьма неожиданных результатов. Результаты этих исследовательских работ трудно переоценить даже в наше время. Например, в дизельных версиях двигателей Рикардо удалось довести расход топлива до 154 г/л.с. в час, что и в настоящее время, спустя почти сто лет, является если и не рекордными, то весьма достойными показателями. А если посмотреть, на какой конструкции и с каким топливом это было получено — то результаты просто шокируют.

Первоначально, для проведения испытаний в 1921-22 г.г. в авиационном центре фирмы «Ройал» были спроектирован и построены два двигателя: один классический 4-тактный четырехклапанный двигатель (да-да — 4 клапана на цилиндр умели уже тогда), и другой — довольно прочный одноцилиндровый одногильзовый 4-тактный двигатель. Оба двигателя имели идентичную геометрию — диаметр цилиндра 140 мм и ход поршня 178 мм. Вот тут видны ключевые особенности этого мотора:

Как видите, кривошип, вращающийся в два раза медленнее коленчатого вала, при помощи пальца со сферической втулкой приводит гильзу в своеобразное «орбитальное» движение — он двигает гильзу вверх-вниз и одновременно поворачивает ее влево-вправо.

При толщине гильзы 3.18 мм двигатель развивал 1300 об/мин. Двигатель был снабжен тремя впускными и двумя выпускными окнами:

Понятно, что Рикардо опирался на уже неплохо доведенный американцами Бертом и Мак-Колумом мотор — но и сам выполнил довольно разумные оптимизации конструкции.

Для более точного сравнения конструкций полная проходная площадь как впускных, так и выпускных окон равнялась по площади четырехклапанной конструкции головки с тарельчатыми клапанами (хотя технически схема с гильзой позволяет обеспечить площади, недостижимые для тарельчатых клапанов). При этом во время испытаний подтвердилось предположение Рикардо, что благодаря более быстрому открыванию окон при гильзовом газораспределении необходимые фазы впуска и выпуска потребуются более узкие, чем в четырехклапанных головках.

При проведении сравнительных испытаний бензиновых двигателей выяснилось, что:

1. При использовании одного моторного топлива, оптимальном опережении зажигания (в двигателях легкого топлива) и составе смеси, двигатель с тарельчатыми клапанами на режиме максимальной мощности работал на границе детонации. В то время как двигатель с гильзовым газораспределением при той же самой степени сжатия не имел следов детонации даже при опережении зажигания, увеличенном до значения, вызывающего падение крутящего момента.
2. В двигателе с тарельчатыми клапанами оптимальное опережение зажигания составляло 31°, а скорость нарастания давления около 1.76 кг/см 2 град. На двигателе же с гильзовым газораспределением оптимальное опережение зажигания равно только 14° до вмт., а скорость нарастания давления 3.16 кг/см 2 град. Из чего следовало, что у двигателя с клапанами степень турбулизации смеси была ниже оптимальной, а у двигателя с гильзой даже выше оптимальной.
3. Температура поршней при равновеликой мощности была значительно ниже у двигателя с гильзовым газораспределением. Что было довольно неожиданно — предполагалось, что передача тепла от поршня рубашке охлаждения через подвижную гильзу будет затруднена. Но нет.
4. Механический КПД двигателя с гильзовым газораспределением был заметно выше, чем у двигателя с тарельчатыми клапанами, что явилось совершенно непредвиденным для Рикардо обстоятельствам. С точки зрения банальной эрудиции казалось, что огромная площадь трения подвижной гильзы должна давать куда большие механические потери, чем движение классических клапанов.
5. Осмотр через открытые окна распределительной гильзы показал, что газы внутри цилиндра находились в состоянии быстрого вращения, так как искры от раскаленных частиц размельченного графита в виде черточек описывали траектории по окружности цилиндра.
6. Двигатель с гильзовым газораспределением работал более устойчиво, чем двигатель с клапанами.
7. Как и ожидалось, механический шум при гильзовом распределении был заметно меньше, тогда как шум от сгорания был явно больше, что явилось следствием большой скорости нарастания давления.
8. Предусмотренная принудительная смазка гильзы оказалась ненужной, т.к. брызг от масляной системы кривошипных головок шатунов оказалось достаточно. При этом было установлено, что гильза равномерно смазана по всей площади окружности, как изнутри, так и снаружи гильзы, даже при резкой остановке двигателя на полной нагрузке.
9. Расход масла в сравниваемых двигателях был почти одинаково низким.
10. Дополнительно выяснилось также, что в двигателе с гильзовым газораспределением можно поднять степень сжатия на единицу (до границы появления детонации), используя то же топливо, что и для двигателя с тарельчатыми клапанами.

Чудеса, да и только.

Вращение смеси объяснялось тем, что в момент начала наполнения воздухом цилиндра двигателя впускные окна открываются посредством углового движения (поворота) гильзы, а закрываются при ее движении вверх. В начальный период открытия поток направляется кромкой окна цилиндра только с одной стороны и поэтому воздух поступает наклонно, заставляя заряд вращаться в направлении противоположном вращению гильзы.

Впрочем, обнаружились и проблемы. При работе на высоких давлениях и степени сжатия обнаружился прорыв газов через поршневые кольца. Дело в том, что первоначально кольца на поршне располагались в обычном порядке, с верхним кольцом на расстоянии примерно 12.7 мм от днища. В этом положении они проходили окна в теле цилиндра, но не окна в гильзе, которые в вмт. при ходе сжатия уходят выше уплотнительных колец головки цилиндра.

Да-да — великий Рикардо совсем упустил из виду, что гильза движется вверх-вниз.

Вдобавок оказалось, что при высоком давлении сгорания в дизельных двигателях гильза вспучивалась в сторону окон на величину местных деформаций, нарушая тем самым геометрию цилиндра.

После изготовления нового поршня с первой поршневой канавкой ниже уровня окон, прорыв газов прекратился. Хотя это мероприятие себя и полностью оправдало, было установлено, что очень большое расстояние от кромки поршня до первого кольца тоже нежелательно. При работе с малой нагрузкой в течение длительного времени в этом промежутке откладывался нагар, который занимал большую часть зазора, затем, когда осуществлялся резкий переход на полную мощность, тепловое расширение поршня приводило к плотному прилеганию нагара головки поршня к стенкам, что вызывало сильный задир, а иногда и заклинивание поршня.

Что касается конструкции, были преодолены некоторые конструктивные затруднения, возникающие из-за залегания уплотнительных колец в головке цилиндров. После испытания многочисленных вариантов было выяснено, что наилучшие во всех отношениях результаты были получены при использовании обычных стандартных колец с концами, подвергнутыми термической обработке, и немного закругленными во избежание поломки при их прохождении окон гильзы. Их оптимальный рабочий зазор равнялся, приблизительно 0,005 D. Для уменьшения расхода масла внизу гильзы устанавливалось сжимающее маслосъемное кольцо. Оно оказалось вполне эффективным и оставляло еще достаточно масла для смазки наружной поверхности гильзы.

Вызывала недоумение высокая величина механического КПД установки, определенная по результатам проворачиванием и подтвержденная высокими действительными показателями, так как, не смотря на относительно тяжелые возвратно-поступательно движущиеся части, полное трение при проворачивании было меньше, чем у двигателя с тарельчатыми клапанами.

Трудно было предположить, что мощность, необходимая для привода гильзы, с ее очень большой трущейся поверхностью, может быть меньше совсем незначительной мощности затрачиваемой на привод клапанов.

Было сделано предположение, что причина повышенного механического КПД двигателя скрывается в самой движущейся гильзе. Ведь гильза движется относительно цилиндра всегда — причем почти с одинаковой угловой скоростью (только вектор движения поворачивается), что является идеальным условием для жидкостной смазки, и эта скорость относительно низкая.

Казалось бы, потери на жидкостное трение на такой большой площади должны быть большими. Кроме этого, при комбинированном воздействии газов, трение гильзы значительно увеличивается в определенные периоды цикла. Например, исследование зубьев шестерен привода гильзы показали заметно увеличенную нагрузку за период приблизительно в 120° угла поворота коленчатого вала; соответствующие приблизительно 30° градусам конца хода сжатия и 90° начала хода расширения. Подсчет показал, что упругой деформация тонкой гильзы при максимальных давлениях газа достаточно, чтобы выбрать все допускаемые рабочие зазоры, и что из-за этого масляная пленка должна быть сильно нагружена в определенные периоды цикла. Однако исследования зубьев шестерен привода показало также, что увеличение нагрузки на зубья шестерен имело место и в периоды, когда поршень двигался в одном направлении с гильзой.

Предположения подтверждались и экспериментальными данными, что движущаяся гильза — приводит к уменьшению трения поршней.

Причину искали долго — и в конце концов нашли. Уже в то время было известно, что в обычном неподвижном цилиндре или гильзе смазка поршня и поршневых колец близка к граничной смазке (практически сухому трению) на любом конце хода поршня. Т.е. когда относительная скорость движения между поршнем и цилиндром стремится к нулю, кольца выдавливают смазку из-под себя, и жидкая смазка не возобновляется до тех пор, пока поршень не прошел некоторую часть своего хода (пока жидкая смазка не забьется под кольцо). Поэтому оказалось, что при непрерывном движении гильзы, даже в то время, когда поршень находится в покое, поддерживается жидкостное трение в продолжение всего цикла.

Это подтверждается эксплуатацией тысяч авиационных двигателей и тем обстоятельством, что резко локализованный износ, всегда обнаруживаемый на гильзах в двигателях с тарельчатыми клапанами в местах остановки поршневых колец в вмт., отсутствует при гильзовом газораспределении.

Кроме того, более поздние исследования, когда была применена техника измерения температуры при помощи плавких вставок, подтвердили, что и температура поршней двигателей с гильзовым газораспределением и жидкостным охлаждением немного ниже, чем температура поршней двигателя с тарельчатыми клапанами той же самой мощности и размерности. На первый взгляд это может показаться неожиданным, если иметь в виду тот факт, что теплота от поршня к охлаждаемым стенкам цилиндра должна пройти через гильзу и масляную пленку.

Однако исследования потоков теплоты, выполненные при помощи термопар показали:

1. При условии, что рабочий зазор между гильзой и цилиндром поддерживается малым, движущаяся масляная пленка является очень эффективным проводником теплоты.
2. Движение гильзы очень эффективно способствует передаче теплоты от одной зоны цилиндра в другую и устранению локализованных зон высокой температуры; поэтому температурный градиент по длине цилиндра намного более плавный, чем в любом другом двигателе с неподвижной гильзой, и, следовательно, температурный перепад на границе вода-металл также значительно ниже.
3. На основе все тех же экспериментальных данных выяснилось, что передача теплоты от поршня к поворачивающей гильзе больше, чем к неподвижной гильзе.

Кроме этого, в двигателях с воспламенением от сжатия, головка цилиндра не загромождена клапанами, что дает полную свободу в выборе формы и объема камеры сгорания, и позволяет в широких пределах регулировать движение воздуха в цилиндрах.

Как известно, в двигателях с воспламенением от сжатия давления сгорания намного выше, чем в двигателях с искровым зажиганием, и соответственно в первых же экспериментах, когда были получены давления порядка 84.5-105 кг/см2, произошли поломки чугунных гильз. Одну из гильз выдуло через одно из окон в цилиндре, а в другом случае гильза треснула от верхней кромки одного из окон до верхнего края. После замены чугунной гильзы на сталь поломки гильз прекратились.

Несмотря на очень высокие давления газов, все же не было доказательств значительного трения гильзы, не было и каких-либо признаков разрушения привода.

И бензиновая, и дизельные установки в дальнейшем показали очень высокие результаты. На бензиновой установке с октановым числом около 60 было достигнуто среднее эффективное давление 10.3 кг/см.2 с минимальным расходом топлива 202 г/л.с.ч ( 274г/кВт.час). А на двигателе с воспламенением от сжатия и со средним эффективным давлением 8.5 кг/см.2 на границе дымления — даже минимальный расход топлива 161 г/л.с.ч ( 219 г/кВт.час). Позднее на таком же, только многоцилиндровом двигателе был достигнут минимальный расход топлива всего 154 г/л.с.ч ( 209 г/кВт.час).

Это очень хорошие показатели и для современных дизельных двигателей.

Чрезвычайно интересна также и полученная Рикардо оптимальная форма окон в гильзе и ответных окон в блоке цилиндров:

Должно быть очевидным, что в размерности окон есть две переменных:

1. вертикальный ход, определяющий высоту или глубину окон;
2. угловое движение, которое влияет на ширину и, следовательно, на количество окон.

Поэтому полная располагаемая площадь окон обуславливается исключительно вертикальным движением. Если наполовину сокращается угловое перемещение, то можно просто использовать удвоенное число окон. В практике, конечно, не желательно иметь много окон, как, впрочем, и малое их число.

В практике ширина любого окна должна быть такой, чтобы уплотнительные кольца головки цилиндра проходили их безопасно. И чтобы в случае высоких рабочих давлений, развиваемых двигателем, не происходило бы выдувания гильзы через окна цилиндра — для этого оставалось бы достаточно места для опорных поверхностей.

Опять же, возникает вопрос удобной конструкции самого привода. Так, например для восьми окон (три выпускных и пять впускных) требуется привод с достаточно узким эллипсом. В большинстве же случаев достаточно иметь всего пять окон (три впускных и два выпускных), тем более, что такая комбинация соответствует самому простому кривошипному приводу. Одно окно в гильзе при этом используется как окно общего назначения (и для впуска, и для выпуска).

В результате оптимизаций параметров для бензинового двигателя с Dцил. = 68.5 мм и ходом поршня L = 90 мм и с максимальными оборотами 6000 об/мин. использовалась гильза толщиной всего 1,27 мм.

В дальнейшем, на базе экспериментальных установок Рикардо были выпущены 6-цилиндровые автомобильные двигатели фирмы Воксхолл, а также авиационные двигатели «Геркулес» фирм Бристоль и Центаурус. Впоследствии по такой схеме выполнили двигатель фирмы Napier «Sabre», а еще позднее двигатель от фирмы Роллс-Ройс — «Игл».

Это вот двойной горизонтально-оппозитный (так называемый H-образный) мотор Napier Sabre. Весьма вычурный, надо заметить.

Начало работ над Napier Sabre — конец 1935 года, целью было построить мотор с небывалой для того времени мощностью в 2000 л.с. И это было достигнуто — в марте 1939 года Sabre выдал 2050 л.с., став первым в мире авиамотором, преодолевшем двухтысячесильный рубеж. 24 цилиндра, хрен ли вы думали.

Было найдено, что гильзовое газораспределение, ввиду отсутствия горячих выпускных клапанов, отсутствия отравления выхлопа свинцом и компактной формы каморы сгорания с центральным расположенном свечи зажигания, может обеспечить получение более высокой мощности в пределах, устанавливаемых бездетонационной работой.

Был сделан тщательный анализ различных возможных форм гильзового газораспределения, и наиболее подходящей была признана система газораспределения с одной гильзой, имеющей комбинированное возвратно-поступательное и вращательное движение, как это было запатентовано Бертом и Мак-Колумом почти полвека назад. При необходимости такой двигатель мог также допустить наличие значительно более высокого относительного содержания тетраэтилсвинца в топливе. В то время октановое число топлива было очень низким, а тетраэтилсвинец был почти единственным средством заметного его повышения, так что получаемые преимущества были очень существенными.

Следующим шагом в развитии двигателей с гильзовым газораспределением стала разработка и испытания конструкций с алюминиевыми цилиндрами и блоками (в то время еще только начинали появляться кремнисто-алюминиевые сплавы). Больше всего сомнений было в значительных тепловых расширениях цилиндров двигателя. Необходимо было обеспечить надлежащий рабочий зазор между гильзой и цилиндром, чтобы можно было пустить двигатель из холодного состояния при самой низкой окружающей температуре. И здесь важна не относительная, а абсолютная величина теплового зазора. На двигателях с диаметром цилиндров до 127 мм и стальной гильзе это условия были вполне приемлемыми, и обеспечивали практически безизносную работу двигателя в течение длительного времени.

Требования снижения веса, особенно для авиационных двигателей потребовало особого подбора материалов для пары поршень-гильза-блок. Требовались алюминиевые сплавы для блока, что было конечно самым перспективным направлением, особенно кремнисто-алюминиевые композиции (сплавы типа АК 4), но это то и составляло одну из основных сложностей при постройке двигателя с гильзовым газораспределением. А для двигателей с воздушным охлаждением, где теплонапряженность гораздо выше, эта проблема стояла еще острее.

При постройке двигателя из легкого сплава с воздушным охлаждением гильзы стали изготавливать из аустенитной стали; при таком сочетании материалов разница в тепловом расширении цилиндра и гильзы уменьшилась приблизительно до 1,3:1 с 2,6:1 при обычном алюминиевом сплаве и обычной углеродистой стали.

Но простая аустенитная сталь в качестве материала для трущейся поверхности оказалась неудовлетворительной. В то время как наружная поверхность достаточно хорошо работала по поверхности цилиндра, она не отвечала требованиям работы поршневых колец, которые сильно срабатывались, а на гильзе и юбке поршня образовывались сильные задиры. Накатка, дробеструйка и хромирование ничего не улучшило, поэтому было принято решение временно перейти на толстостенные чугуны, которые можно азотировать.

Впоследствии фирма Бристоль, которая занималась этой проблемой, смогла преодолеть основные сложности при мехобработке и закалке, после которой происходило искривления гильзы. Правда, отшлифованная чистая и очень твердая поверхность затрудняла смазку из-за недостатка смачивания поверхности, что представляло новую проблему, которую вновь удалось решить применением технологии «сатин-финиш», аналога современного хонингования с последующим суперфинишированием.

После устранения этих трудностей отлитая центробежным способом азотированная гильза из аустенитной стали оказалась наилучшей во всех отношениях для всех двигателей с гильзовым газораспределением, в том числе и для двигателей с воздушным охлаждением. Единственным недостатком является ее низкая теплопроводность.

Двигатели с воспламенением от сжатия с гильзовым газораспределением также обладали неплохими весовыми показателями. Так, еще в 1930 году фирма Роллс-ройс на двигателе «Кестрелл» при весе 336 кг получила максимальную мощность в 340 л.с. при расходе 172 г/л.с.ч (234 г/кВт.ч), что еще не являлось окончательным решением. Несколько лет спустя этот двигатель был установлен на гоночный автомобиль, установивший мировой рекорд скорости в 270 км/час, лучший для дизельного двигателя того времени.