Нижневальные двигатели: конструкция и особенности

Нижневальный двигатель, также известный как двигатель с нижним расположением коленчатого вала (OHV – Overhead Valve), представляет собой тип двигателя внутреннего сгорания, в котором коленчатый вал установлен в нижней части блока цилиндров.

Описание: Подробный гид по нижневальным двигателям: преимущества, недостатки, устройство, применение, примеры.

Такая конструкция позволяет добиться более компактного расположения основных узлов, улучшенной балансировки и оптимизации пространства, что является важным для современных двигателей. Вместе с тем, данная компоновка может иметь и недостатки, такие как сложности в обслуживании и охлаждении некоторых компонентов.

Надо сразу отметить, что под термином «нижневальные двигатели» чаще всего подразумеваются серийно выпускаемые американские V8, так как на сегодняшний день в 2025 году других аналогичных конструкций нет.

Конструкция нижневального двигателя и работа

В общих чертах рассмотрим конструкцию таких ДВС. Начнем с рассказа про основные элементы таких двигателей. На первый взгляд, вроде, все как обычно:

1. Блок цилиндров, служащий основой для установки цилиндров, поршней, коленчатого вала и других компонентов.
2. Головка блока, которая закрывает верхнюю часть блока и формирует камеры сгорания, содержащие клапаны и системы зажигания.
3. Цилиндры, в которых поршни преобразуют тепловую энергию сгорания топлива в механическую работу.
4. Коленчатый вал, преобразующий возвратно-поступательное движение поршней во вращательное движение, передаваемое на трансмиссию.
5. Шатуны, соединяющие поршни с коленчатым валом, подшипники для обеспечения плавного вращения, а также системы смазки и охлаждения, необходимые для стабильной работы двигателя.

Однако, дополнительно к вышеуказанным элементам двигателей стоит отметить роль балансировочных компонентов. Многие современные двигатели оснащаются балансировочными валами и гармоническими демпферами (Hamonic Balancer, на фото ниже), которые существенно снижают вибрации, возникающие при работе двигателя.

Эти компенсирующие устройства помогают стабилизировать вращательное движение коленчатого вала, улучшая общую плавность работы и продлевая срок службы двигателя.

Но что их отличает от верхневальных ДВС ?

Нижневальные двигатели используют систему штанг или толкателей (pushrods), где один распределительный вал располагается в центре блока цилиндров, а толкатели (pushrods) – сидят на гидрокомпенсаторах – передают движение на клапаны. Такая система с толкателями позволяет упростить конструкцию и снизить вес двигателя, но ограничивает потенциал для высоких оборотов по сравнению с верхневальными системами.

Продолжим разбирать состав таких ДВС, вот их отличительные части:

1. Распредвал (camshaft) – он один и расположен в блоке цилиндров, в самом правильном месте – в развале блока; приводит в движение клапаны через толкатели.
2. Штанги (pushrods) – передают усилие от кулачков распредвала к коромыслам клапанов через.
3. Коромысла (rocker arms) – обеспечивают открытие и закрытие клапанов, получая движение от штанг.
4. Гидрокомпенсаторы (hydraulic lifters) – автоматически регулируют зазоры в клапанном механизме, снижая необходимость в регулировке.

Рассмотрим это на понятной схеме:

Где,

1. Коромысла
2. Верхний фиксатор
3. Пружина клапана
4. Нижний фиксатор
5. Направляющая втулка клапана
6. Клапан
7. Посадочное место клапана
8. Штанга (толкатель)
9. Гидрокомпенсатор
10. Распредвал

А вот как выглядят сами коромысла (слева) и штанги:

ГРМ

Система газораспределения (ГРМ) в нижневальном двигателе отвечает за синхронизацию открытия и закрытия впускных и выпускных клапанов, обеспечивая тем самым своевременный впуск топливной смеси и выпуск отработанных газов.

ГРМ обычно имеет более простую конструкцию, чем в двигателях с верхним расположением распредвала (OHC или DOHC), так как распредвал находится в блоке цилиндров, а не в головке блока. Благодаря такой конструкции, ресурс цепи ГРМ составляет в среднем 200.000 км и может доходить до 500.000 км без замены.

1. Распределительный вал (распредвал): Расположен внутри блока цилиндров, обычно рядом с коленчатым валом. Он приводится в движение от коленчатого вала через цепь или шестерни и имеет кулачки, форма которых определяет время и степень открытия клапанов.
2. Гидрокомпенсаторы:  что указывает напрямую на их работу. Установлены между кулачками распредвала и штангами. Они передают движение от кулачков к штангам и могут быть гидравлическими, автоматически регулируя тепловые зазоры клапанов, что снижает необходимость в регулярной регулировке.
3. Привод ГРМ: Цепь или шестерни, которые передают вращение от коленчатого вала к распредвалу.

Вот как это выглядит на практике:

Сверху изображена звезда распредвала (где может стоять фазовращатель), внизу – за масляным насосом – звезда коленвала. Цепь ГРМ на редкость коротка и практически не испытывает никаких нагрузок.

Вот фото со снятым масляным насосом:

Такая конструкция системы ГРМ позволяет обеспечить надежность и компактность двигателя, однако имеет ограничения по максимальным оборотам из-за массы движущихся компонентов.

Система ГРМ у нижневальных ДВС работает следующим образом:

1. Коленчатый вал вращается: Вращение коленчатого вала передается на распредвал через цепь или шестерни.
2. Кулачки распредвала вращаются: При вращении кулачки распредвала нажимают на толкатели (или штанги-толкатели) в определенные моменты времени.
3. Толкатели (или штанги-толкатели) двигаются: Движение толкателей (или штанг-толкателей) передается на коромысла.
4. Коромысла качаются: Качание коромысел приводит к открытию и закрытию клапанов.
5. Впуск и выпуск газов:
   • Открытие впускного клапана позволяет топливной смеси попасть в цилиндр.
   • Открытие выпускного клапана позволяет отработанным газам выйти из цилиндра.

Принцип работы завершает цикл: распредвал, вращаясь, задает тайминг открытия клапанов — по два на цилиндр, впускной и выпускной. Когда кулачок поднимает толкатель, штанга толкает коромысло, и клапан открывается, впуская смесь или выпуская газы; затем пружина клапана возвращает его на место.

В V8 с нижним распредвалом эта система требует точной настройки фаз газораспределения, чтобы восемь цилиндров работали в правильной последовательности, например, 1-8-4-3-6-5-7-2 для классических моторов GM.

Прочность и доступность ремонта сделали такую ГРМ популярной в американских двигателях, хотя современные V8, вроде Ford Coyote, перешли на верхневальные схемы для лучшей производительности (что усложнило всю систему ГРМ).

Это не изящество, а грубая сила, отточенная десятилетиями.

Применение

Нижневальные двигатели в настоящее время используются лишь в ограниченном семействе автомобилей, называемых Пони-Карами (в народе – Масл-Кары, что является неверным термином), и некоторых других, включая:

• Семейные автомобили: некоторые внедорожники, например Cadillac Escalade (с V8), Jeep Grand Cherokee SRT.
• Пикапы и траки: модели пикапов от американских брендов, например, Chevrolet Silverado.
• Некоторые спортивные автомобили: где простота и надежность важнее максимальной мощности. Яркими примерами являются Chevrolet Corvette и Dodge Viper.
• Пони-кары США: представителями настоящего американского автопрома являются пони-кары (в народе масл-кары), выпускаемые в США и в настоящее время, за исключением Ford Mustang. Например: Chevrolet Camaro SS, Dodge Challenger / Charger SRT.
• Некоторые автомобили класса E: например, Cadillac CTS-V, Chevrolet SS (седан для Австралии, что показан на фото выше).

Компрессорные версии

Нижневальные двигатели (НД) получили широкое распространение в США по ряду причин:

1. Простота и надежность: НД имеют простую конструкцию, что делает их надежными и менее подверженными поломкам по сравнению с другими типами двигателей. Это означает, что они могут прослужить дольше и требуют меньше обслуживания, что является важным фактором для американских автолюбителей.

2. Низкая стоимость: Благодаря простой конструкции, производство и обслуживание НД обходится дешевле, чем других типов. Это делает их более доступными для автопроизводителей и покупателей, что играет ключевую роль в их популярности. Выпущено около миллиарда ДВС такого типа за все время производства.

3. Компактность: НД имеют компактные размеры, что позволяет использовать их в различных типах автомобилей, включая небольшие и компактные модели (например, Chevrolet Corvett), которые пользуются большой популярностью в США.

4. Плавность хода: Низкое расположение коленчатого вала обеспечивает более плавную работу НД, чем у других типов. Это делает их более комфортными в эксплуатации, что ценится американскими водителями.

5. Доступность запчастей: НД уже давно используются в США, что означает, что запчасти для них легкодоступны физически и по цене. Это упрощает обслуживание и ремонт этих двигателей.

6. Традиции: НД являются традиционным выбором для многих американских автопроизводителей, и их популярность во многом основана на legacy and brand recognition.

7. Широкий спектр применения: НД используется в различных транспортных средствах, включая седаны, внедорожники, грузовики и даже некоторые спортивные автомобили. Это демонстрирует их универсальность и адаптируемость.

Примеры

Примеры двигателей от GM и Chrysler:

GM:

• • LS: LS1, LS2, LS3, LS6, LS7 (V8 7.0 стоит на Chevrolet Camaro Z/28, что показан на фото выше), LS9, LSA, LSX

• • Vortec: Vortec 3500, Vortec 4800, Vortec 5300, Vortec 6000

Chrysler:

• • Hemi: Hemi 5.7L, Hemi 6.1L, Hemi 6.4L, Hellcat 6.2L

• • PowerTech: PowerTech 5.7L, PowerTech 6.4L

Современность

GM: В 2024 году на Chevrolet Camaro ZL1 установлен компрессорный двигатель LT4 V8 объемом 6,2 литра (тот, что показан на фото).

Характеристики двигателя:

• Мощность: 650 л.с. (6400 об/мин)
• Крутящий момент: 881 Н·м (3600 об/мин)
• Система питания: непосредственный впрыск топлива
• Компрессор: Eaton TVS 2300
• Система смазки: Сухой картер
• Трансмиссия: 10-ступенчатая автоматическая или 6-ступенчатая механическая
• Привод: задний

Этот двигатель является одним из самых мощных в истории Camaro и позволяет автомобилю разгоняться от 0 до 100 км/ч за 3,5 секунды (с механической коробкой передач) или 3,6 секунды (с автоматической коробкой передач). Максимальная скорость составляет 300 км/ч.

Двигатель LT4 также используется в других высокопроизводительных автомобилях Chevrolet, таких как Chevrolet Corvette Z06 и Cadillac CTS-V.

Стоит отметить, что серия ZL1 является компрессорной серией и не предлагается с другими двигателями.

Chrysler: В 2024 на Dodge Challenger SRT Hellcat устанавливается компрессорный двигатель SRT Hellcat V8 объемом 6,2 литра (что изображен на фото).

Характеристики двигателя:

• Мощность: 717 л.с. (6000 об/мин)
• Крутящий момент: 881 Н·м (4800 об/мин)
• Система питания: непосредственный впрыск топлива
• Компрессор: IHI 2.4L
• Трансмиссия: 8-ступенчатая автоматическая
• Привод: задний

Этот двигатель является одним из самых мощных в истории Dodge и позволяет автомобилю разгоняться от 0 до 100 км/ч за 3,6 секунды. Максимальная скорость составляет 320 км/ч.

Двигатель SRT Hellcat также используется в других высокопроизводительных автомобилях Dodge, таких как Dodge Charger SRT Hellcat и Jeep Grand Cherokee SRT Trackhawk.

Ford Mustang

В 1990-х годах Ford начал переход на двигатели с верхним расположением распредвалов (DOHC) в своих моделях, включая Mustang.

Это было связано с тем, что DOHC-двигатели более эффективны и мощны, чем OHV-двигатели.

В 2005 году Ford представил пятое поколение Mustang, которое было первым, в котором использовался двигатель DOHC с самого начала. Этот двигатель V8 Coyote стал очень популярным благодаря своей мощности и плавности хода.

Выводы

В последние годы наблюдается тенденция к использованию более мощных и эффективных двигателей, таких как верхневальные и турбированные.

Нижневальные двигатели постепенно вытесняются из всех сегментов рынка, но все еще остаются популярным выбором для традиционных американских автомобилей.

Подытоживая тему, нижневальный двигатель является очень надежным, очень простым и доступным вариантом для некоторых автолюбителей.

Его плюсы, такие как простота конструкции, низкая стоимость и плавность хода, делают его привлекательным выбором для широкого спектра автомобилей.

Тем не менее, он имеет свои ограничения, такие как ограниченный потенциал мощности, что делает его менее подходящим для современных высокопроизводительных автомобилей.