Газораспределительный механизм двухтактного двигателя с вращающимся дисковым золотником, установленным в задней части картера, под золотником видно частично открытое впускное окно.  Управление газораспределением поршневым золотником на четырёхтактном двигателе. Золотниковое газораспределение со вращающимся золотником на четырёхтактном двигателе, каждый золотник обслуживал по два соседних цилиндра (Itala, 1910-е годы). В двухтактных двигателях Золотниковое газораспределение было применено ещё на двухтактном газовом двигателе Ленуара, считающемся первым в мире коммерчески успешным двигателем внутреннего сгорания (1859 год). Его газораспределительный механизм с двумя коробчатыми золотниками был полностью скопирован с парораспределительного механизма паровых машин, причём при помощи золотников осуществлялся как впуск газовоздушной рабочей смеси, так и выпуск отработанных газов. Однако впоследствии развитие двухтактных двигателей пошло по пути использования поршневого (на лёгких двигателя) либо клапанного газораспределения. Применение золотникового газораспределения на лёгких двухтактных двигателях современного типа (с кривошипно-камерной продувкой) прослеживается как минимум с 1920-х годов, однако по-настоящему удачная реализация этого принципа была осуществлена лишь в начале 1950-х годов восточногерманским инженером Даниэлем Циммерманом на спортивно-гоночных мотоциклах MZ, а затем в 1960-х — 70-х годах схожие решения стали появляться и на некоторых серийных мотоциклах марок Jawa, Yamaha, Suzuki, Kawasaki и других. На двухтактных моторах с золотниковым управлением газораспределением для управления впуском используется золотник с приводом от коленчатого вала — вращающийся дискового или цилиндрического (кранового) типа либо имеющий возвратно-поступательное движение пластинчатого типа. Золотник тем или иным образом осуществляет открывание и закрывание впускного канала двигателя, управляя тем самым длительностью впуска. Благодаря этому удаётся сделать фазу впуска асимметричной относительно НМТ (как правило, начинается за 130—140° до НМТ и заканчивается за 40—50° после) и увеличить её длительность до 180—200°, тем самым улучшив наполнение цилиндра. Некоторые варианты реализации золотникового управления газораспределением позволяют даже изменять фазы газораспределения непосредственно во время работы двигателя. Выпуском как правило продолжает управлять поршень, открывающий выпускное окно (окна). С аналогичной целью во впускном тракте двигателя может устанавливаться автоматически срабатывающий на перепад давления клапан лепесткового или мембранного типа (Yamaha и др.). В начале 1950-х годов на пермском моторостроительном заводе № 19 под руководством В. В. Полякова были разработаны и выпущены небольшой серией двухтактные пятицилиндровые звездообразные авиамоторы ВП-760, ВП-1300 и ВП-2650 с газораспределением установленным в картере вращающимся золотником и продувкой двухступенчатыми поршнями в форме перевёрнутой буквы Т (узкая часть рабочая, широкая — нагнетательная), которые предназначались для применения в легкомоторной авиации.[2][3] Опыты с газораспределением вращающимся золотником велись в начале 1990-х годов фирмой Lotus применительно к двухтактному автомобильному двигателю с продувкой от приводного компрессора, причём, в отличие от обычного двухтактного двигателя с клапанно-щелевой продувкой, свежий воздух подавался в верхнюю часть цилиндра через золотник, а отработавшие газы удалялись через окна в нижней части цилиндра (у обычного двигателя с клапанно-щелевой продувкой воздух подаётся через окна в средней части цилиндра, а газы удаляются через клапан в головке блока). Золотник имел вид постоянно вращающегося вокруг своей оси полого цилиндра — ротора — с окнами в стенках, внутри которого располагался также имевший вид полого цилиндра статор с продольной перегородкой, поворот которого относительно ротора, осуществляемый электронной системой, управлял фазами газораспределения. Такое устройство газораспределения позволило вместо обычно используемого на дизелях с клапанно-щелевой продувкой непосредственного впрыска использовать более дешёвый вариант системы питания, с форсункой низкого давления, распыляющей топливо внутрь золотника, откуда рабочая смесь вдувалась внутрь цилиндра через впускное окно. Завершились эти работы безрезультатно, одной из причин чего было резкое ужесточение экологических стандартов в середине 1990-х годов, поставившее крест на использовании двухтактных двигателей на автомобильном транспорте.                                                         Четырехтактные Двигатели.    Золотниковое газораспределение с коробчатыми, поршневыми или вращающимися (крановыми) золотниками, так или иначе связанными с распределительным валом и осуществляющими открытие и закрытие впускных и выпускных окон, использовалось на некоторых четырёхтактных двигателях, но не получило широкого распространения из-за целого ряда трудностей на пути практической реализации данного принципа, в частности — проблемы с уплотнением золотников, особенно работающего на выпуск и в силу этого находящегося под большим давлением горячих отработанных газов. Газораспределение коробчатым золотником, аналогичным золотникам паровых машин, было применено ещё на первом в мире четырёхтактном двигателе внутреннего сгорания, сконструированном Н. Отто (1861 год), и достаточно широко использовалось на тихоходных стационарных двигателях XIX — самого начала XX века. Управление газораспределением имеющими возвратно-поступательное движение поршневыми золотниками является фактически стандартным на паровых машинах и мощных поршневых насосах, некоторые конструкторы пытались приспособить его и к двигателю внутреннего сгорания, однако без большого успеха — перемещение золотника оказывалось весьма затруднено из-за большого давления газов, создававшего огромную силу трения между золотником и стенками золотниковой коробки, не говоря уже о проблемах с прорывом газов через уплотнения. Несколько больший успех выпал на долю газораспределительных механизмов с вращающимся (крановым) золотником. Этот вариант газораспределения привлекал конструкторов благодаря бесшумности работы по сравнению с обычными тарельчатыми клапанами (стук которых при работе ГРМ был большой проблемой для двигателей начала XX века), возможности получить потенциально более высокую пропускную способность по сравнению с клапанным газораспределением и упростить ГРМ за счёт использования одного золотника на цилиндр, работающего и на впуск, и на выпуск, или даже одного на каждую пару цилиндров, а также устранить из камеры сгорания один из наиболее опасных очагов детонации — выпускной клапан (что, опять же, было весьма актуально в начале XX века, когда доступное топливо имело очень низкое октановое число). Первый патент на газораспределение вращающимся золотником был получен британской фирмой Crossley в середине 1880-х годов. Основанные на нём тихоходные газовые двигатели пользовались популярностью в качестве стационарных и выпускались этой фирмой с 1886 по 1902 год. Пик популярности данной конструкции в автомобильных двигателях пришёлся на начало 1910-х годов, когда, следуя последней моде, свои варианты золотникового газораспределения представил целый ряд фирм, выпускавших дорогостоящие автомобили, таких, как Itala (Италия, 1911), Darraq (Франция, 1912), впоследствии Minerva (Бельгия, 1925). Сравнительно удачные конструкции двигателей с газораспределением коническим вращающимся золотником создавались британцами Р. Кроссом и Ф. Аспином в 1930-х — 1950-х годах, находили применение на гоночных автомобилях, однако в массовое производство так и не попали, в том числе — из-за нерешённых проблем с уплотнением и смазкой золотника. В те же годы экспериментировал с золотниковым газораспределением германский инженер Ф. Ванкель в сотрудничестве с фирмами BMW, DVL, Daimler-Benz, Lilienthal и Junkers, однако, не добившись решительного успеха, он переключился на работу над проектом роторно-поршневого двигателя, в чём весьма преуспел. В 1950-х годах в СССР были построены опытные двигатели с золотниковым газораспределением на базе серийных моторов «Москвич-400» (4-цил.) и ЗИС-120 (6-цил.), имевшие крановые золотники, установленные в головке блока и вращающиеся вокруг оси, параллельной оси коленчатого вала. По сравнению с нижнеклапанными, двигатели с золотниковым газораспределением имели лучшую наполняемость цилиндров и, соответственно, более высокую удельную мощность — например, на двигателе «Москвича» прибавка в мощности по сравнению с серийным составила 8 %. Однако при этом ощутимо увеличивался расход масла из-за проблем с уплотнением золотника, двигатель работал с заметным дымлением. Кроме того, в конце такта сжатия и во время рабочего хода поршня золотник испытывал большое трение из-за давления на него уплотняющего башмака, находящегося под давлением выхлопных газов, что значительно повышало потери на трение, а на шестицилиндровом двигателе даже привело к обрыву трёхрядной цепи привода ГРМ в ходе испытаний. Обеспечить требуемый моторесурс двигателям с золотниковым газораспределением так и не удалось.[1] Примерно тогда же британская фирма Norton выпустила некоторое количество гоночных мотоциклов с золотниковым газораспределением, но в 1954 году полностью прекратила работы в этом направлении. Необычный автомобильный двигатель с Х-образным расположением цилиндров и газораспределением вращающимися золотниками разработала в середине 1970-х годов компания Esso, которая привлекла к работам Р. Кросса, однако двигатель не показал значительных преимуществ перед традиционными.

управление газораспределением поршневым золотником на четырёхтактном двигателе.

золотниковое газораспределение со вращающимся золотником на четырёхтактном двигателе, каждый золотник обслуживал по два соседних цилиндра (Itala, 1910-е годы).                                               С Клапанным управлением газораспределением

Схематическое изображение выпускного клапана на примере двигателя с нижнеклапанным ГРМ. Клапан имеет выпуклую форму головки. d — диаметр седла клапана, h — высота его подъёма, a — путь выхлопных газов.    Управление газораспределением осуществляется при помощи тарельчатых клапанов, как правило имеющих привод от распределительного вала. Эта система наиболее распространена на современных четырёхтактных двигателях, а также мощных двухтактных (с клапанно-щелевой продувкой, имеются только выпускные клапана). В данной конструкции ГРМ используется клапан, состоящий из тарелки (головки) и стержня (стебля), который служит для открытия и закрытия впускных и выпускных каналов. Главное преимущество тарельчатого клапана, позволившее ему достичь преимущественного распространения в данной области — простота обеспечения герметичности: под воздействием давления в камере сгорания его тарелка плотно прижимается к седлу, поэтому для исключения утечки газов вполне достаточно тщательно притереть эти детали друг к другу, причём усилие, создаваемое давлением в камере сгорания, направлено по оси стержня клапана и не мешает ему перемещаться вдоль направляющей. При открытии клапана он смещается относительно седла на расстояние, называемое высотой подъёма клапана. При этом открывается определённое проходное сечение, определяемое величиной высоты подъёма, размерами и формой клапана. В большинстве случаев впускные клапана имеют большее проходное сечение, чем выпускные. Ранее, примерно до 1950-х годов, клапаны обычно изготавливали из обычной углеродистой или низколегированной инструментальной стали (например, хромистой 40Х), однако по мере совершенствования двигателей и повышения их степени форсирования появилась необходимость применения как минимум для выпускных клапанов, температура которых может достигать 600—850 °С, специальных легированных жаростойких сталей, например сильхромовой (40Х10С2М / ЭИ107, 40Х9С2 / ЭСХ8), X45CrNiW189, X53CrMNi219, и т. п. Впускные клапана обычно имеют температуру не выше 300—400 °С и выполняются из хромистой, хромованадиевой или хромоникелевой сталей. Иногда с целью удешевления из жаростойкой стали изготавливается только тарелка (головка) клапана, а стержень — из обычной инструментальной, также на тарелках выпускных клапанов иногда может производиться дополнительная наплавка слоя твёрдого жаростойкого сплава, повышающего срок службы клапана. В двигателях с большой тепловой напряжённостью камеры сгорания могут применяться клапана с полыми стержнями, заполненными натрием — при работе двигателя натрий плавится и, испаряясь, улучшает теплоотвод от клапана. В последнее время могут использоваться клапана из титановых сплавов, сочетающие жаростойкость с лёгкостью, что позволяет уменьшить инерцию деталей ГРМ. Изготавливаются клапаны путём горячей высадки (объёмной штамповки) стального прутка, после чего подвергаются механической и термической обработке.[4][5][1] Тарелка (головка) клапана может иметь плоскую (Т-образную), выпуклую или тюльпанообразную (обтекаемую, с плавным переходом к стержню) форму. Клапана с выпуклой головкой иногда используются в качестве выпускных благодаря большой жёсткости и лучшей обтекаемости со стороны цилиндра, что особенно актуально в нижнеклапанном моторе. Тюльпанообразные клапана ранее часто устанавливались на впуске при большом диаметре клапана, так как считалось, что обтекаемая форма головки снижает сопротивление потоку воздуха, но впоследствии, примерно с 1980-х годов, от их использования отказались, так как они не давали значительного эффекта, или даже при той же величине подъёма ухудшали наполнение цилиндров по сравнению с обычными, при большей сложности изготовления. Головка клапана имеет коническую рабочую поверхность — запорную фаску, плотно притёртую к ответной фаске седла (гнезда) клапана. Фаска на головке клапана выполняется под углом 30° или 45°. Фаска в 45° даёт меньшее проходное сечение при том же подъёме, чем фаска в 30°, однако облегчает центровку клапана в седле и способствует повышению его жёсткости, поэтому 30-градусная фаска применяется ограниченно, обычно на впускных клапанах высокофорсированных и спортивных двигателей. В некоторых случаях может применяться двойная фаска. Фаска подвергается шлифовке, а затем плотно притирается к седлу (гнезду). На нижнем (хвостовом) конце стержня клапана выполняются кольцевые проточки, предназначенные для крепления тарелок клапанных пружин, обычно осуществляемого при помощи конических сухарей (реже — поперечной шпилькой или на резьбе). Иногда для повышения срока службы клапана тарелка клапанной пружины оснащается упорным подшипником, допускающим свободное вращение клапана вокруг своей оси при работе двигателя. Ранее на хвостовой части стержня клапана иногда также выполняли кольцевую выточку под предохранительное кольцо, не дающее клапану провалиться в цилиндр, если лопнет его пружина или произойдёт случайное выпадение сухарей при работе двигателя                                       Сёдла (гнёзда) клапанов  Сёдла-гнёзда клапанов выполняются либо непосредственно в материале блока цилиндров (у нижнеклапанных моторов) или головки цилиндров, либо в виде запрессованных в них отдельных деталей из легированного чугуна, бронзы или жаростойкой стали (только выпускных клапанов, либо и впускных, и выпускных), иногда с наплавкой износостойкого кобальтового сплава типа сормайт.[4] Обычно седло имеет одну фаску с углом в 45°, или две фаски — верхнюю с углом в 30°, служащую переходом от основной фаски к стенке камеры сгорания, и основную в 45°. Иногда выполняется также нижняя фаска с углом порядка 60°, применение которой снижает сопротивление седла потоку воздуха. Особенное значение имеет проработка формы фаски сёдел впускных клапанов, через которые осуществляет наполнение цилиндров рабочей смесью.                                 Направляющие втулки клапанов    Направляющие втулки клапанов  служат для обеспечения их точной посадки в сёдла, изготавливаются из чугуна, алюминиевой бронзы или металлокерамических антифрикционных композиций (бронзографитовой и других). Для уменьшения расхода масла через зазор между направляющей клапана и его стержнем либо на сам стержень клапана одевается маслоотражательный колпачок из маслостойкой резины, либо на его направляющую устанавливается сальник с кольцевой пружинкой (маслосъёмный колпачок.)                                           Клапанные пружины     Клапанные пружины обеспечивают закрытие клапана и его плотную посадку в седло, воспринимают усилия, возникающие при работе ГРМ. При сборке клапанного механизма пружина получает предварительную затяжку, величина которой является важным параметром, влияющим на качество работы двигателя. Если пружина в засухаренном состоянии не развивает должного усилия, указанного в технической документации — возникают отставание («подвисание») и подскакивание клапана при его закрытии, нарушающие фазы газораспределения и ухудшающие наполнение цилиндров горючей смесью, из-за чего двигатель не будет развивать полной мощности и не обеспечит паспортных динамических характеристик автомобиля. При полностью закрытом клапане остаточной силы пружины должно хватать для удержания контакта между кулачком распределительного вала и контактирующей с ним деталью ГРМ (толкателем, коромыслом, рокером), что позволяет сохранить заданную конструкторами продолжительность открытия клапана и устранить ударные нагрузки в приводе клапанов, быстро выводящие его из строя. Как правило, клапанные пружины изготавливаются из легированной высокоуглеродистой стали (марганцовистой, кремнемарганцовистой, хромо-никеле-ванадиевой холодной навивкой с последующими термообработкой и дробеструйным наклёпом для повышения срока службы. Могут быть цилиндрическими или коническими, иметь постоянный или переменный шаг навивки. Для предотвращения износа опорной поверхности головки цилиндров и фиксации пружины под неё подкладываются стальные опорные шайбы.Иногда применяются по две пружины на клапан, расположенные одна внутри другой, причём наружная и внутренняя пружина имеют разное направление витков для предотвращения заклинивания внутренней пружины витками внешней. Применение таких сдвоенных пружин позволяет несколько уменьшить габариты узла за счёт меньшей общей высоты двух пружин по сравнению с одинарной при том же усилии, а также служит в качестве страховки на случай поломки одной из пружин, тем самым повышая надёжность и безотказность работы двигателя. Также иногда клапанная пружина может устанавливаться не на самом клапане, а в толкателе (пример — дизель ЯАЗ-204).[4] В очень редких случаях вместо винтовых клапанных пружин могут применяться торсионные в виде работающих на скручивание стержней (некоторые моторы фирмы Panhard, также некоторые мотоциклетные двигатели Honda), плоские, спиральные или витые шпилечные пружины (некоторые мотоциклетные двигатели).

Клапан, его седло, направляющая втулка, опорная шайба пружин, сдвоенные клапанные пружины и тарелка пружин. Справа вверху показаны различные способы крепления тарелки пружин на стержне клапана — сухарями, поперечной шпилькой.

В большинстве случаев в клапанном механизме для управления клапанами используется выполненный из чугуна или легированной стали кулачковый распределительный вал, имеющий опорные шейки, служащие для установки вала в подшипниках его постели, и кулачки с различным профилем, определяющим фазы газораспределения двигателя. Обычно на один цилиндр приходится по два кулачка распределительного вала (один впускной и один выпускной), однако встречаются и иные варианты. Кроме того, распределительных валов может быть более одного. Привод распределительного вала осуществляется от коленчатого вала двигателя, причём у четырёхтактных моторов его частота обращения равна половине частоты обращения коленчатого вала, а у двухтактных — равна ей. Вал вращается в подшипниках скольжения, от осевого смещения удерживается обычно упорными полукольцами из стали, иногда с алюминиевым покрытием на рабочей поверхности, бронзы, антифрикционной металлокерамики или пластмассы. В двигателях старого выпуска от распределительного вала часто осуществлялся привод других агрегатов двигателя — масляного и топливного насосов, прерывателя-распределителя зажигания, иногда даже стеклоочистителя. На современных двигателях топливный насос имеет электропривод, прерыватель-распределитель отсутствует и полностью заменён на электронную систему управления, а масляный насос обычно приводится непосредственно от коленчатого вала цепью или шестерней. В двигателях начала XX века иногда могли использоваться автоматически действующие впускные клапана, срабатывающие за счёт перепада давления между атмосферой и разрежением во впускном коллекторе, однако на высоких оборотах они работали неудовлетворительно, и вскоре вышли из употребления (выпускные клапана сохраняли привод от распредвала). Между кулачками распределительного вала и стержнями клапанов для передачи усилия устанавливаются передаточный звенья, конструкция которых зависит от типа газораспределительного механизма двигателя. В двигателях с нижним расположением распределительного вала для снятия усилия с его кулачков используются толкатели, установленные в отверстия в блоке цилиндров, выполненные над постелью распредвала. От толкателя усилие может передаваться непосредственно на стержень клапана (в нижнеклапанных моторах) или через приводную штангу на приводящее в действие стержень клапана коромысло, меняющее направление усилия на противоположное (в верхнеклапанных моторах со штанговым приводом клапанов). Различают толкатели цилиндрические, тарельчатые (грибовидные) и роликовые. У первых двух типов опорная поверхность, находящаяся в контакте с кулачком распредвала, плоская либо сферическая, у роликовых толкателей же в контакте с кулачком распредвала находится ролик из твёрдой стали с высокими противоизносными свойствами, что позволяет значительно увеличить долговечность узла и снизить требования к противозадирным качествам смазочного масла — такая конструкция ранее применялась в основном на дизелях, но начиная с 1980-х годов получила широкое распространение. Толкатель с плоской или сферической опорной поверхностью для предотвращения преждевременного износа должен при работе вращаться вокруг своей вертикальной оси, что при плоской опорной поверхности достигается его смещением относительно оси кулачка, а при сферической — использованием кулачков со скошенной поверхностью. В дизельных двигателях большого рабочего объёма иногда применяются качающиеся роликовые толкатели, представляющие собой качающийся рычажок с отверстием под ось с одного конца и находящимся в контакте с кулачком распредвала роликом с другого, усилие снимается с расположенной на рычажке сверху стальной пяты, на которую опирается штанга коромысла, что позволяет за счёт наличия у такого толкателя некоего передаточного отношения получить большое усилие, требуемое для привода газораспределительного механизма такого двигателя. В легковых моторах в толкателях часто размещают гидравлические компенсаторы клапанного зазора, в таком случае толкатели иногда называют гидравлическими. Они обеспечивают постоянный беззазорный контакт между деталями привода клапанов, что устраняет звук при работе двигателя и снижает износ благодаря устранению ударных нагрузок. Иногда гидрокомпенсаторы могут устанавливаться и внутри коромысел. В двигателях с верхним расположением распределительного вала для привода клапанов используются либо рычаги (двуплечие или одноплечие), имеющие, в зависимости от конкретной конструкции, название коромысел или рокеров (рычажные толкатели), либо короткие цилиндрические толкатели, расположенные под распределительным валом, непосредственно между его кулачками и стержнями клапанов. При работе двигателя, особенно под высокими нагрузками, стержень клапана удлиняется на бо́льшую длину, чем другие детали головки цилиндра, так как клапан испытывает дополнительную тепловую нагрузку за счёт омывания его тарелки, выступающей в камеру сгорания, горячими газами, в то время, как остальная головка цилиндров обычно имеет жидкостное охлаждение, и её температура не превышает 100…120°С (в двигателях с жидкостной системой охлаждения). При этом выбирается выставленный при регулировке двигателя тепловой зазор между клапаном и приводящей его деталью, в результате чего после прогрева двигателя ГРМ начинает работать практически бесшумно. При неправильной регулировке теплового зазора, перегреве клапана, износе фаски его головки или седла предусмотренный конструкцией двигателя тепловой зазор в приводе клапанов может отсутствовать, в результате чего клапана теряют герметичность и начинают прогорать.                                                  Классификация  Классификация газораспределительных механизмов двигателей с клапанным газораспределением осуществляется в зависимости от взаимного расположения самих клапанов и приводящего их распределительного вала, а также конструкции передаточных звеньев между ними. По расположению клапанов выделяют двигатели: 1) Нижнеклапанные (с боковым расположением клапанов); 2)Верхнеклапанные (в старой литературе — «с подвесными клапанами»); 3)Со смешанным расположением клапанов. По расположению распределительного вала выделяют двигатели: 1)С распредвалом, расположенным в блоке цилиндров (с нижним распредвалом, Cam-in-Block); 2)С распредвалом, расположенным в головке блока цилиндров (с верхним 3)распредвалом, Cam-in-Head); 4)Без распределительного вала. В настоящее время большинство двигателей оснащаются системой автоматического регулирования теплового зазора в приводе клапанов, осуществляемого за счёт использования гидравлических компенсаторов клапанного зазора (в двигателях с приводом клапанов толкателями) или гидравлических упоров (в двигателях с рычажным приводом клапанов). Благодаря давлению масла, заполняющего внутреннюю полость гидравлического элемента, кулачок распределительного вала постоянно находится в контакте с передаточными звеньями ГРМ, что устраняет необходимость регулировки, а также повышает надёжность двигателя за счёт предотвращения возможности прогара клапана из-за износа его фаски или седла. После остановки двигателя на долгий срок масло из гидравлического элемента выдавливается, в результате чего после повторного пуска некоторые клапана могут издавать стук в течение нескольких минут. Длительность работы двигателя со стуком клапанов увеличивается по мере износа плунжерных пар гидрокомпенсаторов или гидроупоров. Кроме того, эти устройства боятся вспенивания масла, поскольку при попадании внутрь плунжерной пары масла с воздухом она теряет работоспособность.                     Двигатели с распредвалом в блоке цилиндров

Схематический разрез нижнеклапанного двигателя.

Нижнеклапанный двигатель (с боковым расположением клапанов, англ. L-Head, Flathead, SV — Side-Valve) — двигатель, у которого клапаны расположены в блоке цилиндров, тарелками вверх, и имеют привод от расположенного под ними распредвала посредством толкателей. В V-образных нижнеклапанных двигателях распредвал обычно расположен в развале блока цилиндров, клапана расходятся от него в виде буквы V. Плюсы схемы — малая шумность, простота конструкции, отсутствие опасности касания клапанов и поршня при неправильной установке угла распределительного вала. При наличии гидравлических толкателей клапанов или правильно выставленном клапанном зазоре нижнеклапанные двигатели работают на холостых оборотах почти совершенно бесшумно — отчётливо слышен только шум воздуха, обтекающего вентилятор системы охлаждения. Все детали ГРМ этого типа находятся внутри блока, что позволяет получить очень компактный двигатель. Распределительный вал находится в общем картере с коленвалом, что упрощает систему смазки и повышает безотказность, отсутствуют промежуточные передаточные звенья между кулачками распредвала и клапанами (коромысла, рокеры, рычаги и т. п.), нет необходимости в сложных уплотнениях стержней клапанов (маслосъёмные колпачки). Головка блока нижнеклапанного мотора представляет собой простую чугунную или алюминиевую плиту с каналами для охлаждающей жидкости, она легко демонтируется, открывая удобный доступ к клапанам и поршням, что было весьма актуально в годы, когда поршни требовалось регулярно очищать от нагара, а клапаны — периодически притирать к сёдлам, для чего в их тарелках делались специальные шлицы для притирочной машинки.     Главный минус нижнеклапанной компоновки — обусловленная перевёрнутым расположением клапанов специфическая компоновка впускного и выпускного трактов, приводящая к снижению удельных характеристик двигателя. Из-за связанного с ней сложного пути бензовоздушной смеси, поток которой при входе в цилиндр резко меняет направление движения, повышается сопротивление на впуске и значительно ухудшается наполнение цилиндров, в особенности на высоких оборотах. Как следствие — в большинстве случаев нижнеклапанный двигатель получается тихоходным и неэкономичным, с низкой удельной мощностью. Кроме того, конструктивные особенности нижнеклапанного двигателя резко ограничивают возможность повышения степени сжатия за счёт уменьшения объёма камеры сгорания, что обычно является наиболее простым и эффективным способом повышения удельной мощности двигателя внутреннего сгорания.

Уменьшение высоты свода камеры сгорания с целью уменьшению её объёма в нижнеклапанном двигателе приводит к уменьшению проходных сечений впускного и выпускного трактов, причём в их наиболее критичной части, непосредственно прилегающей к камере сгорания, причиной чего является уменьшение зазора между стенкой камеры сгорания и тарелкой клапана. В результате по мере уменьшения объёма камеры сгорания и, соответственно, повышения степени сжатия, происходит ухудшение наполнения цилиндров, что значительно снижает эффективность данной меры форсировки двигателя. Отчасти устранить этот недостаток помогает использование поршней с выступающим в камеру сгорания вытеснителем, расположение сёдел клапанов в углублениях на поверхности блока и применение обращённой к клапанам лунки в днище поршня. Однако, даже с учётом этих мер, при степени сжатия порядка 8:1 и выше наполнение цилиндров нижнеклапанного двигателя ухудшается из-за эффекта дросселирования до такой степени, что делает дальнейшее повышение степени сжатия бессмысленным — полученное за счёт неё повышение эффективности рабочего процесса двигателя нивелируется ухудшением наполнения цилиндров. Кроме того, сама по себе форма камеры сгорания нижнеклапанного мотора препятствует увеличению диаметра тарелок и подъёма клапанов из-за их тесного расположения в камере сгорания, причём тем больше, чем выше степень сжатия двигателя, и, следовательно, тем компактнее камера сгорания его цилиндров.

Путь бензовоздушной смеси в верхнеклапанном (слева) и нижнеклапанном (справа) двигателях. В нижнеклапанном моторе безвоздушной смеси по пути в цилиндр приходится совершать поворот на 180°, что значительно ухудшает наполнение.

Блок и головка цилиндров нижнеклапанного мотора. Сёдла клапанов выполнены непосредственно в верхней плоскости блока цилиндров и заглублены относительно неё; головка цилиндров имеет вид чугунной плиты с выполненными в ней камерами сгорания и каналами для охлаждающей жидкости.    По той же причине не имеет смысла создание нижнеклапанного дизеля, поскольку в дизель-моторах для обеспечения эффективного рабочего процесса необходимы степени сжатия порядка 16:1 и выше. Необходимость обеспечить, с одной стороны, минимальное конструктивно обусловленное расстояние между осями цилиндра и распределительного вала, а с другой — необходимый зазор между тарелкой клапана и стенками камеры сгорания, вынуждает конструкторов придавать камере сгорания нижнеклапанного двигателя сильно вытянутую форму. Поэтому не достигает значительного эффекта и уменьшение объёма камеры сгорания путём уменьшения её длины. Неоптимальная форма камеры сгорания, в свою очередь, значительно увеличивает теплоотдачу через стенки, вызывая потерю тепла и снижение КПД, увеличивает время горения смеси, что ограничивает быстроходность двигателя, а также способствует развитию детонации, из-за чего нижнеклапанный двигатель при той же степени сжатия требует более высокооктанового топлива, чем верхнеклапанный. В незначительной степени эти недостатки могут быть устранёны наклоном осей клапанов относительно оси цилиндров, что уменьшает длину камеры сгорания, тем самым улучшая условия сгорания смеси и снижая склонность двигателя к детонации, а также снижает сопротивление потоку рабочей смеси, всасываемой в цилиндр (например, в двигателе автомобиля «Москвич-400» угол наклона клапанов составлял чуть более 8°), однако при этом быстро растут габариты двигателя, ограничивая возможности данного подхода в рядных двигателях.    В V-образном нижнеклапанном двигателе увеличивать угол наклона клапанов без чрезмерного роста наружных габаритов можно в значительно больших пределах, чем в рядном. Пытаясь преодолеть недостатки нижнеклапанной схемы, конструкторы иногда располагали клапана в блоке цилиндров V-образного нижнеклапанного мотора под очень большим углом к оси цилиндра, горизонтально или практически горизонтально, для чего распределительный вал приходилось размещать высоко в развале блока, а в привод клапанов вводить дополнительные звенья — длинные качающиеся толкатели (одноплечие рычаги) или коромысла (двуплечие рычаги). В частности, такую конструкцию ГРМ имел V-образный 8-цилиндровый двигатель Lycoming FB 1930-х годов, у которого клапана устанавливались под углом в 35° к оси цилиндра и приводились в действие через одноплечие рычаги. При таком расположении клапанов впускные и выпускные каналы примыкали к камере сгорания более плавно, без 90-градусного разворота, что позволило практически устранить проблемы, связанные с резким изменением направления движения заряда рабочей смеси на впуске, кроме того камера сгорания получалась сравнительно короткой. Также дополнительным преимуществом данного конструктивного решения было то, что выпускные каналы удалось вывести вверх, а не внутрь развала блока, как на многих нижнеклапанных V8, что упростило конструкцию выпускной системы и снизило нагрев двигателя от выхлопных газов. Однако в полной мере сохранялись другие недостатки нижнеклапанных двигателей — малое проходное сечение впускного тракта и невозможность повышения степени сжатия выше определённого предела, а конструкция мотора с таким ГРМ оказалась очень сложной и дорогой в производстве, что помешало его распространению. По сути, данная компоновка ГРМ является «переходной» между нижнеклапанными двигателями и верхнеклапанными типа OHV (см. ниже). При дальнейшем увеличении угла наклона клапанов относительно оси цилиндров их уже приходилось переносить в головку цилиндров, тем самым делая двигатель верхнеклапанным

Ford Flathead V8 с приводным компрессором.    Наиболее же эффективный способ повышения удельной мощности нижнеклапанного двигателя — наддув от приводного нагнетателя или турбонагнетателя, что позволяет добиться хорошей наполняемости цилиндров и достаточно высокой эффективности рабочего процесса даже при невысокой степени сжатия. Однако из-за сложности и дороговизны реализации при сравнительно скромном по сравнению с двигателями других схем эффекте он применялся крайне нечасто, в основном в США 1930-е — 40-е годы, а также очень широко — в тюнинге американских нижнеклапанных V8 (в частности, на хотродах). Камеры сгорания нижнеклапанного мотора имеют сложную форму и из-за этого как правило не подвергаются механической обработке, сохраняя шероховатую поверхность, полученную при отливке, что ещё больше снижает показатели двигателя и является причиной появления различий в объёме и, соответственно, характере работы камер сгорания одной головки. Длинные выпускные каналы, расположенные в блоке цилиндров, способствуют перегреву нижнеклапанного двигателя из-за дополнительного нагрева от горячих выхлопных газов. В особенности это касается нижнеклапанных V8, у которых как правило выпускные каналы проходят прямо сквозь блок цилиндров в поперечном направлении, из развала блока наружу к выпускным коллекторам, и проходящие через них выхлопные газы по пути отдают много тепла, вызывающего перегрев двигателя, в особенности при недостаточной эффективности системы охлаждения. Ещё одним недостатком нижнеклапанного двигателя является сложность в обслуживании газораспределительного механизма — при такой его компоновке весьма затруднён доступ к толкателям клапанов для их регулировки, поскольку они располагаются под выпускным коллектором. На некоторых нижнеклапанных двигателях штатная регулировка клапанного зазора вообще не была предусмотрена (Ford T, Ford A и их производные), в случае серьёзного нарушения работы стержни клапанов дорабатывали: при слишком малом зазоре немного подпиливали (торцевали), а при слишком большом — расковывали утолщённую хвостовую часть, при этом слегка удлиняя стержень. Впоследствии на большинстве двигателей был введён механизм регулировки зазоров (закрученный в толкатель болт с контргайкой), однако доступ к нему зачастую был крайне неудобен (впрочем, требовался он на таких моторах сравнительно редко). Полностью данную проблему решают гидравлические компенсаторы клапанного зазора, встроенные в токатели. Вплоть до 1950-х годов благодаря своей простоте и дешевизне двигатели с таким ГРМ были наиболее распространены на легковых (за исключением спортивных) и грузовых автомобилях. Первые массовые модели с верхнеклапанными двигателями появились ещё в 1920-х годах, однако в те годы нижнеклапанные моторы конкурировали с ними практически на равных. Лишь к 1950-м годам, после появления в широком доступе топлива с более высокими октановыми числами, реализация преимуществ которого требовала повышения степени сжатия, стало очевидно, что нижнеклапанная схема сдерживает развитие автомобилестроения, мешая созданию более совершенных, динамичных и скоростных автомобилей, соответствующих изменившимся условиям дорожного движения. В результате в первой половине 1950-х годов на легковых автомобилях началось массовое внедрение верхнеклапанных двигателей, лишённых присущих нижнеклапанной схеме недостатков. На отдельных моделях легковых автомобилей, впрочем, нижнеклапанные двигатели продержались до начала 1960-х годов (все модели Plymouth в варианте с рядной шестёркой, Studebaker, Rambler, Simca Vedette, ЗИМ ГАЗ-12), а на грузовых автомобилях эта схема вообще использовалась вплоть до семидесятых годов, если не дольше — например, грузовики ГАЗ-52 и ЗИЛ-157 с нижнеклапанным мотором выпускался до 1990-х годов. В спецтехнике нижнеклапанные двигатели широко используются и в наши дни. Кроме того, нижнеклапанные двигатели сохраняют определённую популярность в поршневой малой авиации, где их низкие рабочие обороты оборачиваются большим достоинством, так как позволяют устранить из конструкции понижающий редуктор привода на винт. Так, можно отметить бельгийские оппозитные нижнеклапанные авиамоторы D-Motor LF26 и LF39, которые свою максимальную мощность выдают при частоте обращения коленчатого вала всего лишь в 2800…3000 об./мин. Простота конструкции, надёжность и безотказность нижнеклапанного мотора также являются большими преимуществами в данной области.                                С двухрядным расположением клапанов

Двигатель типа T-head  Разновидностью схемы с нижним расположением клапанов были имевшие некоторое распространение в первой половине XX века двигатели с Т-образной головкой (T-head в англоязычной литературе), или нижнеклапанные с двухрядным расположением клапанов. В них впускные клапаны находились с одной стороны блока цилиндров, а выпускные — с другой. Распределительных валов также было два. Такими двигателями, в числе прочих, оснащались первые «Руссо-Балты». Цель данной конструкции — устранить перегрев впускных клапанов и впускных каналов в блоке за счёт изоляции их от раскалённых выпускных. Дело в том, что низкооктановый бензин, доступный в начале XX века, отличался высокой склонностью к детонации, что делало применение этой схемы в какой-то мере выгодным — более холодная бензовоздушная смесь имеет несколько более высокое октановое число (на этом же принципе работал впрыск воды в цилиндры, охлаждавшей рабочую смесь — конструкция, также имевшая хождение в те годы). В остальном двигатель с такой системой газораспределения имел худшие характеристики, чем имеющий обычный нижнеклапанный ГРМ, в частности — имел меньшую удельную мощность. Кроме того, он получался сложным, громоздким, тяжёлым и дорогим в производстве. Поэтому после Первой мировой войны, отмеченной значительным прогрессом как в области моторостроения, так и в нефтехимии, данная схема ГРМ вышла из употребления. Данная схема также позволяет в нижнеклапанном двигателе применить три-четыре клапана на цилиндр — два впускных с одной стороны и один-два выпускных с другой, однако в случае нижнеклапанного мотора получаемый за счёт этого выигрыш невелик.                                        Со смешанным расположением клапанов  Также встречаются обозначения F-Head или IOE (Intake Over Exhaust — «впускной клапан над выпускным»). У такого двигателя обычно впускные клапаны находятся в головке блока, как у верхнеклапанного мотора, и приводятся в действие при помощи штанг толкателей, а выпускные — в блоке, как у нижнеклапанного двигателя. Распределительный вал был один и был расположен в блоке, как у обычного нижнеклапанного мотора. Эта схема обладает тем преимуществом, что её мощность ощутимо выше, чем у «чистого» нижнеклапанного — верхнее расположение впускных клапанов позволяет ощутимо улучшить наполнение цилиндров рабочей смесью. Как правило, такие двигатели переделывались из нижнеклапанных в качестве меры текущей модернизации, что зачастую было технологически проще и экономически выгоднее перехода к полностью верхнеклапанному мотору на основе того же блока цилиндров. Такие двигатели широко применялись фирмами Rolls-Royce и Rover (включая внедорожники Land Rover) благодаря их высокой надёжности как по сравнению с нижнеклапанными (из-за хорошего охлаждения верхних клапанов), так и по сравнению с ранними верхнеклапанными двигателями (из-за вдвое меньшего числа штанг), а также способности работать на низкооктановом бензине без детонации. Подобные «полуверхнеклапанные» переделки на базе серийных моторов существовали и в СССР — это были спортивные двигатели на базе агрегатов автомобилей «Москвич», «Победа» и ЗИМ. Выигрыш в мощности, в сочетании с иными мерами форсировки, был значительным — до 20…40 л. с., при исходной мощности самих указанных двигателей в 35, 50 и 90 л. с., соответственно. Планировалось использование подобного мотора на наследнике «Победы», однако в итоге выбор был сделан в пользу полноценного верхнеклапанного мотора полностью нового семейства. С широким распространением «настоящих» верхнеклапанных двигателей, эта схема почти полностью вышла из употребления. Тем не менее, последний такой двигатель был выпущен фирмой Willys в 1970-х годах. В очень редких случаях (мотоциклы Indian Four 1936 и 1937 годов выпуска) верхними делались выпускные клапана, а впускные — оставались нижними. Эта конструкция оказалась крайне неудачной из-за постоянного прогара выпускных клапанов, и более не повторялась.

Двигатель со смешанным расположением клапанов. Inlet — впускной клапан, Exhaust — выпускной            Верхнеклапанные со штанговым приводом клапанов (тип OHV)   Данная конструкция ГРМ была изобретена Дэйвидом Данбаром Бьюиком (David Dunbar Buick) в самом начале XX века. У двигателей с таким ГРМ клапаны расположены в головке цилиндров, а распредвал — в блоке (англоязычное обозначение — OHV, OverHead Valve; также встречается I-Head, или Pushrod, то есть, «со штангами толкателей»). Разнесённые далеко друг от друга распределительный вал и клапаны вынуждают устанавливать между ними длинные передаточные звенья — штанги толкателей, передающие усилие от контактирующих с кулачками распредвала толкателей на коромысла, непосредственно приводящие в движение клапаны, что и является главной отличительной особенностью данной схемы ГРМ. Клапаны в головке цилиндров как правило расположены в один ряд, вертикально (при плоскоовальной камере сгорания) или с небольшим наклоном (при клиновой камере сгорания), примерно на продольной оси камеры сгорания, однако встречаются и иные варианты. Так, на двигателях HEMI V8 концерна Chrysler камера сгорания полусферическая, впускные и выпускные каналы подходят к ней по радиусам полусферы — соответственно, впускные и выпускные клапана расположены в два ряда по разные стороны от продольной оси камеры сгорания, с большим наклоном, а приводящие их штанги толкателей расходятся от расположенного в развале блока распределительного вала в виде буквы V (по два ряда штанг на каждую головку V-образного мотора — верхний ряд приводит впускные клапана, нижний выпускные). На рядном четырёхцилиндровом двигателе GM 122 / Vortec 2200 и некоторых моторах семейства GM Big Block V8, вроде Vortec 8100, с диагонально ориентированной клиновой камерой сгорания, клапана также располагались в два ряда с наклоном и также приводились от V-образно расположенных штанг толкателей. И в том, и в другом случае применение усложнённой компоновки ГРМ объясняется желанием конструкторов спроектировать впускные и выпускные каналы с более эффективной с точки зрения пропускной способности конфигурацией. Иногда распределительный вал по компоновочным соображениям располагают не в полости картера двигателя, рядом с коленчатым валом, а намного выше, непосредственно под головкой цилиндров, при этом сохраняются приводящие коромысла клапанов короткие штанги толкателей. Примером такого решения являются двухтактные дизели семейства ЯАЗ-204 / 206 (Detroit Diesel 4-71 / 6-71), причём привод распределительного вала (а также расположенного симметрично ему уравновешивающего вала) в них осуществлялся через сложную систему шестерён, расположенных со стороны маховика. В данном случае причиной такого расположения распредвала было то, что эти двигатели оснащались приводным компрессором, который устанавливался непосредственно на боковую стенку блока и осуществлял продувку цилиндров через расположенные в их средней части окна (см. ниже), так что выполненные в блоке цилиндров каналы для прохода воздуха попросту не оставляли места для распредвала, толкателей и штанг, ввиду чего их пришлось расположить выше. Подобная «полуверхневальная» конструкция изредка применяется также на легковых автомобильных и мотоциклетных двигателях, например — французском Renault Cléon-Alu (Moteur A) 1960-х — 80-х годов с одним «полуверхним» распредвалом высоко в блоке, приводящим наклонно расположенные в головке клапана, или некоторых двухцилиндровых оппозитных мотоциклетных моторах фирмы BMW, включая выпускающий до сих пор BMW R nineT, у которых два распределительных вала с цепным приводом расположены очень близко к головкам, но всё же сохраняются очень короткие штанги толкателей. Выгода здесь состоит в уменьшении массы и, соответственно, инерции механизма привода клапанов по сравнению с обычным вариантом ГРМ типа OHV, что позволяет повысить рабочие обороты, приблизившись по характеристикам к верхневальным моторам, при этом на рядном двигателе сохраняется один распределительный вал. Однако привод распределительного вала получается сложнее и менее надёжным.

Двигатель Rover 3 Litre со смешанным расположением клапанов, головка цилиндров снята. Видны поршни и выпускные клапана (впускные клапана установлены в головке).               В очень редких случаях клапана могут располагаться в головке цилиндров не вертикально или под небольшим наклоном, а горизонтально или почти горизонтально. В этом случае для их привода от расположенного в блоке распредвала (распредвалов) используются непосредственно рычаги или коромысла, без приводных штанг. Так, у рядных авиамоторов Duesenberg Aero с четырьмя клапанами на цилиндр, некоторых автомобильных двигателей той же фирмы (вместе также известных как Duesenberg Walking Beam Engines), а также моторах фирмы Lanchester, для привода клапанов, расположенных в два ряда справа и слева от камеры сгорания, использовались установленные на боковых стенках блока цилиндров очень длинные коромысла, нижняя часть которых находилась в контакте непосредственно с кулачками распределительных валов, а верхняя — приводила клапана. Иногда считается, что такая конструкция была впервые применена на двигателе автомобиля Cameron в 1906 году. В V-образных двигателях компоновка с расположенными в головках цилиндров горизонтально или практически горизонтально клапанами и одним распределительным валом высоко в развале блока была применена на авиационных двигателях времён Первой мировой войны Lancia Tipo 4 и Tipo 5 конструкции Винченцо Лянча, а также V-образном 12-цилиндровом моторе Lycoming BB.

Итальянский Автогонщик инженер и основатель компании Lancia

Схематическое изображение типичного варианта привода ГРМ типа OHV с длинными штангами толкателей

Вид на детали ГРМ тяжёлого стационарного дизеля со штанговым приводом клапанов.  В СССР первым массовым верхнеклапанным мотором на легковом автомобиле стал двигатель «Волги» ГАЗ-21 (малосерийные НАМИ-1 и ЗИС-101 имели такой ГРМ уже в 1920-х — 30-х годах). Из советских автомобилей такой механизм газораспределения имели все массовые карбюраторные модели «Волги», «Москвичи» семейств М-407, М-408 и М-2138, а также грузовики и автобусы с карбюраторными двигателями конфигурации V8 (ЗИЛ, ГАЗ). В настоящее время в России производятся рядные четырёхцилиндровые двигатели семейства УМЗ-4216 и V8 семейства ЗМЗ-511, имеющие штанговый привод клапанов и инжекторную систему питания, позволившую им вписаться в рамки экологического стандарта Евро-5. Также ГРМ со штанговым приводом клапанов имели практически все массово выпускавшиеся в СССР быстроходные дизельные двигатели, в частности, ЯАЗ-204 / 206, ЯМЗ-236 / 238, КамАЗ-740, и так далее (исключение составляют дизели семейства В-2). В мировой практике легкового автомобилестроения такие двигатели достаточно широко использовались ещё с 1910-х — 1920-х годов, однако вплоть до появления в конце 1940-х — первой половине 1950-х годов высокооктанового топлива в широком доступе не могли достичь решительного превосходства над нижнеклапанными, так как при сравнимой мощностной отдаче последние имели преимущества в отношении простоты конструкции и дешевизны производства. Так, в США «Форд» и «Крайслер» на своих довоенных моделях использовали только нижнеклапанные моторы, GM — как верхнеклапанные, так и нижнеклапанные, причём вполне сравнимые между собой по мощности и другим характеристикам. В довоенной Германии верхнеклапанные моторы имели большее распространение, но наряду с этим продолжался и массовый выпуск нижнеклапанных. Повсеместное распространение верхнеклапанных моторов началось после появления в 1949 году двигателя Oldsmobile Rocket V8 со степенью сжатия, рассчитанной на высокооктановое топливо, спровоцировавшего в американской автомобильной промышленности «гонку лошадиных сил», не утихавшую вплоть до начала 1970-х. В Европе двигатели со штанговым приводом клапанов надолго не задержались и по сути стали переходным вариантом от нижнеклапанных к верхневальным — уже к концу 1960-х годов эта схема там стала считаться устаревший и достаточно редко использовалась на новых моделях легковых автомобилей. Однако в США, где вплоть до недавнего времени были популярны сравнительно малооборотные двигатели большого рабочего объёма, для которых штанговый привод клапанов является вполне целесообразным, газораспределительный механизм типа OHV очень широко использовался вплоть до 1980-х и даже 1990-х годов, и продолжает встречаться в настоящее время на современных легковых двигателях — примером может послужить выпускающийся с 2003 года Chrysler 5.7 L Hemi (Dodge Ram, Dodge Charger R/T, Jeep Grand Cherokee, Chrysler 300C), использующий технологию динамически изменяемого рабочего объёма и динамического изменения фаз газораспределения. Иногда такие двигатели использовались и на недорогих современных европейских автомобилях из-за своей дешевизны и компактности. Например, Ford Ka первого поколения (1996—2002) использовал инжектированную версию четырёхцилиндрового двигателя Kent разработки конца пятидесятых годов с ГРМ типа OHV, имеющую весьма компактные по современным стандартам размеры, что позволило уместить двигатель в небольшом моторном отсеке  В моторах грузовиков и тяжёлой техники, для которых меньшее число рабочих оборотов и инерционность ГРМ не является недостатком, а надёжность и долговечность первостепенны, ГРМ типа OHV всё ещё очень широко распространён. Схема OHV популярна и на малооборотистых четырёхтактных двигателях для газонокосилок, бензиновых электростанций, мотоблоков. Современных тракторных двигателях