Двигатели DOHC
Двигатели DOHC
85 лет назад на заводе "Пежо" работали четыре инженера и одновременно гонщика: Эрне Анри, Жорж Буалло, Жюль Гу, Поль Зуккарелли — "банда четырех". Так их прозвали за стремление любым путем реализовать свою идею. Именно они сообща задумали, спроектировали, построили и испытали на гонках новую конструкцию гоночного мотора: два распределительных вала (Double overhead cam-shafts = DOHC) в головке цилиндров и четыре клапана (4 valves) на каждый цилиндр. Двигатели тогда были тихоходными (максимум две тысячи оборотов в минуту) — длинные толкающие штанги, тяжелые и массивные коромысла оказывались не по силам клапанным пружинам.
Кажется, первым выдвинул идею Зуккарелли — поместить распределительные валы непосредственно над каждым рядом клапанов (впускных и выпускных) и отказаться от "посредников" — коромысел, штанг, рокеров и т.п. А чтобы каждый клапан сделать еще легче, пусть их будет на цилиндр не два, а четыре. Четыре легких клапана. И даже при увеличении оборотов в полтора раза на пружины станут приходиться существенно меньшие нагрузки.
Э. Анри (теоретик "банды") рассчитал, что чем больше смеси мотор "вдохнет" за рабочий цикл, тем выше мощность. Соответственно, надо довести до предела проходное сечение клапанов. Через кольцевые щели двух впускных клапанов малого диаметра, вычислил Анри, в цилиндр поступит примерно в полтора раза больше горючей смеси, чем через один большой. Кроме того, смесь при такой конструкции будет лучше сгорать, вырастет К.П.Д. и экономичность двигателя.
Банда четырех" добилась своего. Гоночные "Пежо" стали одерживать одну победу за другой. Новую конструкцию стали копировать фирмы "Балло", "Санбим", "Воксхолл", "Сальмсон" и многие другие. Жизнь доказала правильность выбранного технического решения, несмотря на всю его сложность. Тогда бытовало мнение, что сложный механизм — это ненадежный механизм. Увы, известно немало очень простых конструкций, быстро выходивших из строя в результате невысокой точности изготовления, недостаточной смазки, несовершенного расчета нагрузок или ошибок в выборе материала.Сразу ухватились за новую идею в авиационной промышленности. Сложные, но очень надежные авиамоторы быстро пошли в серию. (Приведем лишь один пример — известный авиамотор АМ-34 конструкции А. Микулина, производство которого было освоено в начале тридцатых годов.)
Автомобильные заводы тоже выпускали двигатели такого типа, но в мизерных количествах. (Первым отечественным автомобилем с мотором с двумя распредвалами и четырьмя клапанами на цилиндр стал в 1951 году... карьерный самосвал МАЗ-525 с дизелем Д-12А, разновидностью танкового двигателя В-2, который, в свою очередь, вел происхождение от авиамотора.)
Возможно, что силовые агрегаты DOHC-4V так и остались бы уделом гоночных и спортивных машин, но нефтяной кризис, стремление поднять мощность малолитражных моторов и борьба за снижение вредных выбросов дали новый толчок к поиску. Кстати, былая боязнь сложных конструкций исчезла с приходом в автомобилестроение современных технологий.
И вот в конце восьмидесятых и начале девяностых годов один за другим стали появляться на свет двухвальные и четырехклапанные двигатели. Сегодня более полусотни автомобильных фирм серийно выпускают эти моторы. Но массовое производство ставит и свои непростые задачи. Для привода двух распределительных валов в головке цилиндров можно использовать зубчатый ремень, цепь или набор шестерен. Ремень дешев, не требует смазки, практически бесшумен, но его обрыв означает катастрофу для всего двигателя: неуправляемый клапан наталкивается на поршень, оба разрушаются, повреждая одновременно гильзу цилиндра и блок. Цепь надежней, хотя и шумнее. Недостаток — постепенное вытягивание. Устройства для автоматического натяжения решают проблему, но для цепи, которая должна работать в масляном "тумане", необходим еще и герметичный картер. Набор шестерен сложен, дорог и очень шумен, но абсолютно надежен.
Пока конструкторский рейтинг выглядит так: выше всех — ремень, потом — цепь и, наконец, шестерни. В случае технологически скверного исполнения любого из приведенных вариантов владелец автомобиля становится мастером площадной брани. Если же все сделано хорошо, то водитель, естественно, даже забывает поинтересоваться устройством привода этого самого DOHC. О достоинствах четырех клапанов на цилиндр речь уже шла. Но не забудем, что чем выше степень сжатия, тем выше К.П.Д. мотора. И не удивительно, что современные двигатели работают с высокими (9,5 — 10) степенями сжатия. В таких случаях самая выгодная форма камеры сгорания — полусферическая — превращается в шаровой сегмент. (На лицах теоретиков термодинамики сразу же появляется мина отвращения.)
Приходится искать компромисс. С одной стороны, надо сделать камеру сгорания шатрообразной, а с другой — "шатер" должен быть покатым, со скругленными углами. Этого можно добиться только уменьшая угол между впускными и выпускными клапанами. Словом, дан приказ: выше степень сжатия — меньше угол между клапанами. На двигателе CEAT-Ibuza-GTI, к примеру, всего 25 (на моторах "Ниссан-Алмера" — 26, а у "Ягуар-V8" — 28).При четырех клапанах на цилиндр единственное место для свечи в камере сгорания — в центре. Длинные газовые каналы настолько увеличивают высоту головки цилиндров, что свеча оказывается на дне глубокого колодца. Вывернуть и вынуть ее оттуда поможет специальный ключ. Но не в этом дело. А если "колодец" заполнить чем-нибудь полезным, скажем, разместить сразу над свечой "личную" катушку зажигания? И заткнуть сверху колодец герметичной пробкой (пластмассовой или резиновой), через которую пропустить кабель? Тогда в сырую погоду провод от катушки зажигания к свече всегда будет сухим! Вот так неизбежный недостаток стал преимуществом. Схема привода клапанов DOHC (есть и другое название — Twin Cam) страдает одним недостатком. Для регулировки клапанных зазоров приходится вынимать кулачковые валы, нарушать установку фаз газораспределения и подбирать толщину регулировочных шайб между кулачком и стаканчиковым толкателем. Потом снова сборка, повторное измерение зазора и, если не удалось угадать с прокладками, начинай все сначала. Конечно, трудоемкие регулировки никого, кроме гоночных механиков-трудоголиков не радовали. Конструкторы выдумывали различные хитроумные регулировочные устройства, но те лишь утяжеляли детали клапанного привода, и тогда все достоинства DOHC шли насмарку.
Решение нашлось очень вовремя. А что, если в зазор между "затылком" клапана и стаканчиковым толкателем подавать под давлением масло из системы смазки? И чтобы этот зазор всегда выбирался в зависимости от того, холодный двигатель или горячий, изношено гнездо клапана или нет. Иными словами, появился гидравлический компенсатор зазора, который быстро вошел в обиход и ныне применяется на большинстве двигателей с клапанным механизмом DOHC — от "Кадиллак-Нортстар" до "Опель-Корса".
На гоночных же двигателях, как и 85 лет назад, рост быстроходности сдерживали клапанные пружины. Появились было конструкции так называемого десмодромного (без пружин) привода. Клапан открывался под воздействием кулачка распределительного вала и закрывался другим кулачком, а не усилием пружины. Но деликатный и сложный механизм дальнейшего развития пока не получил.
В восьмидесятые годы на гоночных моторах стали заменять клапанные пружины сжатым газом. Под тонкостенный стаканчиковый толкатель клапана подавался газ. Итог отличный: никакой инерции, никаких перегрузок в материале. Двигатели Формулы–1 (в том числе и "Пежо-А12" — дальний родственник мотора, созданного "бандой четырех"), несмотря на внушительный рабочий объем каждого цилиндра (300 — 350 см3) и, следовательно, довольно большие размеры клапанов, без поломок работали в режиме 16 — 18 тыс. об/мин. Эрне Анри умер в нищете и безвестности в 1950 году. Трое его коллег ушли из жизни еще раньше. Экзотическая конструкция прошлых лет — DOHC и 4V — сегодня стала ширпотребом. Более быстроходные, более мощные, более экономичные, более эффективные по процессу сгорания современные двигатели обязаны своими высокими показателями выдающемуся изобретению почти вековой давности.
Рекомендуемый контент