Пламенное сердце машины, часть 2

Двигатель. Система газораспределения.
Текст: Артем ‘S1LvER’ Терехов

В первой части статьи мы рассмотрели две основные схемы работы мотоциклетных двигателей: двухтактную и четырехтактную. Мы не будем рассматривать анатомию двигателя в деталях (для этого есть специализированные книги, в которых все очень подробно и грамотно расписано), а остановимся, на наш взгляд, на самом интересном и обсуждаемом в «гаражных спорах» моменте. А именно, на системе газораспределения.

Просматривая технические характеристики байков, в графе «система газораспределения» вы наверняка натыкались на что-то вроде «4 клапана на цилиндр, DOHC», а то и вовсе на что-то запредельное в духе «десмодромный привод клапанов». Не волнуйтесь, сейчас мы все расставим на свои места и подвергнем сравнительному анализу. Для начала – немного общей теории о том, что вообще такое система газораспределения (далее СГ).

Данная система представляет собой механизм своевременного распределения впуска горючей смеси и выпуска отработавших газов в цилиндрах двигателя внутреннего сгорания. Ее задача – благодаря кропотливым расчетам инженеров обеспечить своевременное поступление топливо-воздушной смеси в камеру сгорания, и так же своевременно вывести выхлопные газы в выпускную систему.

Инженерная простота двух тактов – достоинство или порок?

В двухтактном двигателе роль СГ выполняет поршень, а также…выхлопная система, а точнее – резонатор. Система проста и достаточно очевидна: на поверхности цилиндра есть впускные и выпускные отверстия, называемые окнами. Причем горючая смесь сначала попадает в пространство под поршнем, а затем через продувочный канал направляется в камеру сгорания. Это связано с тем, что пространство под поршнем (которое называется кривошипной камерой) выполняет роль своеобразного насоса. Так как эта камера герметично закрыта сверху поршнем, то при его движении давление в ней изменяется (по мере движения поршня вверх объем камеры увеличивается, а давление, соответственно, становится ниже атмосферного, при движении поршня вниз – наоборот). Именно благодаря этому простому физическому «фокусу» смесь всасывается в кривошипную камеру из впускного тракта, и далее переходит в камеру сгорания. Затем происходит воспламенение смеси и выход отработавших газов в выпускную систему. Размеры и форма резонатора выхлопной системы рассчитаны таким образом, чтобы волны высокого давления, создающиеся при движении выхлопа «на выход», отражались от стенок резонатора и препятствовали выплескиванию несгоревшей смеси из пространства цилиндра. Посмотрите на схему – и все станет понятно.

За годы совершенствования конструкции двухтактного двигателя было обнаружено, что фазы выпуска влияют на производительность двигателя в такой же значительной степени, что и фазы впуска. Фаза впуска определяется высотой выпускного окна в стенке цилиндра, то есть когда это окно открывается при перемещении поршня вверх и вниз. Из этого факта получается неутешительный вывод - нет такого расположения и размера окна, которое охватывало бы все режимы работы двигателя с максимальной эффективностью. Поэтому эти параметры рассчитывают, основываясь на предназначении мотоцикла. То есть, расположение и размеры выпускного окна спортбайка Suzuki RGV250 будут сильно отличаться от таковых какого-нибудь утилитарного скутера. Разные режимы работы, разные задачи – различные решения конфигурации фаз впуска и выпуска. Решение было найдено в системах, изменяющих геометрию впускных окон и регулирующих давление внутри цилиндра с помощью открытия/закрытия дополнительных резонаторных камер. У разных производителей эти системы называются по-разному: Yamaha PVS, Kawasaki IPS, Honda ATAC и так далее. Они отчасти решили поставленные перед ними задачи, однако своенравный характер, за который любят (или ненавидят? Кто как…) двухтактные двигатели, они перебороть не смогли. Может, это и к лучшему? Тем более, что у нас есть более покладистые четырехтактники, о системах газораспределения которых мы сейчас и поговорим.

От простого к сложному

Мы уяснили, что задачи, стоящие перед двигателем, достаточно просты – необходимо сжигать определенное количество топлива в конкретный момент времени, а затем удалять получившиеся отработавшие газы. На практике, реализация этих процессов представляет собой огромную проблему, надо которой непрестанно работают лучшие умы мотоинжиниринга.

Четырехтактный двигатель устраняет множество недостатков, свойственных двухтактным моторам. Однако, как и любая вещь в этом совсем не идеальном мире, он приносит с собой собственные проблемы. Повышенная сложность означает удорожание производства, что закрепляет нишу недорогих скутеров и мотоциклов начального уровня за двухтактниками. Вдаваться в дебри не будем, и рассуждать о вытеснении 2Т четырехтактниками – тоже не будем, поскольку это тема для отдельной обширной статьи (сколько раз я уже говорил эту фразу?).

В своей основе четырехтактный двигатель точно такой же, как и его 2Т-собрат. Главное отличие – множество дополнительных элементов, образующих клапанный механизм. Впускной клапан отвечает за наполнение цилиндра смесью, выпускной – за отвод отработанных газов. И если в 2Т двигателе четыре процесса (впуск, сжатие, воспламенение, выпуск) тесно переплетены, то в 4Т-движке границы между процессами более четкие. Рабочих тактов ровно в два раза меньше, чем в двухтактнике, но точное управление процессами впуска и выпуска позволяет обеспечить высокую эффективность двигателя.

Основные элементы клапанного механизма:

* Клапана. Во всех мотоциклетных двигателях применяются тарельчатые клапана, через которые смесь попадает в камеру сгорания, а продукты сгорания – выводятся из нее. Клапан самостоятельно закрывается и удерживается в закрытом положении сильной пружиной (иногда ставят двойные пружины). Пружины используются не в каждой схеме ГРМ – десмоприводе читайте ниже.
* Распредвал. Непосредственно или косвенно он используется для открытия и закрытия каждого клапана – в строго заданной точке четырехтактного цикла. Полный цикл занимает четыре хода поршня (то есть два полных оборота коленвала), каждый клапан нужно открыть один раз за цикл. Из-за этого частота вращения распредвала вдвое меньше частоты вращения коленвала. Это осуществляется с помощью шестеренчатого, цепного или ременного привода между этими валами.


OHV, DOHC и другие страшные слова

Все четырехтактники, устанавливаемые на мотоциклы, очень похожи. Они отличаются только расположением и приводом клапанов и распредвалов. Но именно эти различия определяют назначение и производительность двигателя. Давайте рассмотрим различные конфигурации газораспределительного механизма.


* SV (side valve, боковое расположение клапанов).

Литровый мотор Harley-Davidson с боковым расположением клапанов. Такие двигатели также называют flathead

Привод распредвала осуществляется шестеренчатой или цепной передачей, расположенной рядом с коленчатым валом. Клапана расположены в выступе камеры сгорания сбоку от цилиндра, а не в головке, как в других четырехтактных двигателях. Это самый дешевый и простой вариант исполнения 4Т-двигателя, и американские и британские производители широко использовали такую конструкцию в первой половине 20 века. Неудачная форма камеры сгорания (обусловленная расположением клапанов) ограничивает КПД двигателя.

Аналогичный по прочим параметрам верхнеклапанный движок потребляет меньше топлива, развивая при этом большую мощность. Наиболее рациональным вариантом такого двигателя является большеобъемный одноцилиндровый «котел». Оснащенный массивными маховиками, он выдает большой крутящий момент на низких оборотах. Эти простые и эластичные двигатели были надежны и легко ремонтировались, однако в настоящее время они полностью вытеснены более совершенными конструкциями.

* OHV (overhead valve, верхнее расположение клапанов).

Это конструкция с верхним расположением клапанов и нижним – распредвалов и толкателей. В таком двигателе связь толкателя с клапаном осуществляется с помощью длинной штанги, проходящей через туннель в блоке и головке цилиндра. Камера сгорания в двигателе такого типа – сферической формы, которая считается идеальной по многим причинам (эффективный газообмен и более полное сгорание смеси). Такая конструкция хорошо зарекомендовала себя за прошедшие десятилетия, однако сегодня ее практически полностью вытеснили верхневальные конструкции. В настоящее время OHV используется в основном в моторах круизеров, где эффектный классический вид двигателя значит так же много, как и его рабочие параметры. Кроме того, в V-образных двухцилиндровых моторах с OHV используется один распредвал, что удешевляет и упрощает конструкцию. Большая часть двигателей H-D использует такую схему газораспределительного механизма. Японские производители больше почитают технологичное DOHC-исполнение.

* SOHC (single overhead camshaft, один распредвал в головке цилиндра).

Распредвал размещен в головке цилиндра между впускными и выпускными клапанами, привод обычно цепной. Штанги и толкатели отсутствуют за ненадобностью, что уменьшает количество деталей, двигающихся возвратно-поступательно. А главное – позволяет работать двигателю на таких частотах вращения, на которых нижнеклапанник разлетелся бы на части.

* DOHC (double overhead camshaft, два распредвала в головке цилиндра).

Эта схема избавлена от еще одной движущейся части – коромысел (хотя при этом пришлось вернуть толкатели, что впрочем, не так уж и страшно). В DOHC остались только самые необходимые детали газораспределительного механизма (ГРМ). Привод ГРМ, как правило, цепной. Хотя есть и примеры использования шестеренчатого (например, Honda VFR800 до 2002 года, после которого «гитару» шестерен заменили цепью) привода. Есть и те, кто последовали за тенденциями автопромышленности, где применяется шкив и зубчатый ремень (Honda GoldWing, Pan European, Moto Guzzi Daytona, ряд байков от Ducati). Ремни не растягиваются, как цепи, меньше шумят (впрочем, уникальный звук старого VFR во многом образован именно «шестеренчатой симфонией»), а шкивы не изнашиваются подобно звездочкам. Хотя замену ремня следует производить чаще, чем цепи.

Применение DOHC допускает наибольшие рабочие обороты, поэтому такую схему применяют в высокопроизводительных байках, где мощность мотора – один из важнейших факторов. Однако с увеличением оборотов вылезают новые проблемы, главные из которых – это вибрация и «зависание» клапанов, когда клапанные пружины в силу инерции не успевают закрывать клапан. В лучшем случае это приводит к снижению мощности, в худшем – к свиданию клапана с поршнем, когда тот движется к верхней точке. В результате – вмятины на поверхности поршня и погнутые клапана. Достаточно серьезный повод для визита в мастерскую, как считаете?

* Десмодромный привод клапанов.

Этот привод отличается от остальных радикальным отказом от использования клапанных пружин. Их роль выполняют дополнительные коромысла, управляемые отдельным распредвалом. Эти коромысла принудительно закрывают клапана точно так же, как и открывают их. На более поздних версиях системы используется один распредвал со всеми необходимыми кулачками. Клапан открывается за счет воздействия открывающего коромысла на стержень. По мере того, как кулачок проходит точку максимального подъема клапана, и коромысло начинает освобождать клапан, закрывающее коромысло заставляет клапан закрыться.

В десмоприводе все детали изготавливаются с прецизионной точностью, сравнимой с точностью изготовления деталей для космических кораблей. Он очень дорог в производстве и непрост в обслуживании (по причине необходимости соблюдения все той же филигранной точности). Однако десмо начисто отрезает все проблемы, связанные с вибрацией и зависанием клапанов. Теоретически, он избавляет двигатель от «красной зоны», однако в этом случае скорость вращения коленвала ограничивается уже из других соображений, не связанных с ГРМ.

Десмодромник использует только компания Ducati, многим спортивным достижениям «красные» обязаны своему уникальному приводу. Недоброжелатели говорят, что «десмо-Дуки» звучат как старые советские будильники, или ведра с гайками. Однако для многих звук работающего двигателя Ducati – самый сладкий звук на свете, а спортивные свершения маленькой итальянской фирмы из Болоньи просто глупо оспаривать.

*****

Даже самая объемная статья не может вместить в себе все технические нюансы устройства ГРМ, не говоря уже обо всем двигателе. Однако основные понятия мы осветили. Теперь вы, уважаемые читатели, достаточно подкованы в «клапанных вопросах», чтобы на равных беседовать с фанатичными техноманьяками, которые скрываются в каждой мотомастерской и каждом втором гараже. Тем не менее, ГРМ – это лишь верхушка пульсирующего организма под названием «двигатель». Тема следующей статьи – как инженеры выбирают конфигурацию двигателя (иначе называемую рядностью), и какие достоинства и недостатки скрываются за каждой схемой. Оставайтесь с нами, будет интересно!

Десмодромный привод