сообщение №966

Четыре клапана на цилиндр

Еще недавно многоклапанные двигатели ставили только на гоночные автомобили, а сегодня существует не меньше сотни коммерческих моделей и модификаций, где использовано такое техническое решение. Что это, дань моде, очередной ход в конкурентной борьбе или действительно полезное усовершенствование? Об этом рассказывает инженер А. ФОМИН.

Когда нижнеклапанные двигатели ушли в прошлое, клапаны перекочевали наверх в головку блока, и с тех пор их расположение не менялось. Чтобы избежать длинных толкателей, которые ограничивали возможность форсирования двигателя по оборотам (такая конструкция — инерционная и нежесткая), распределительный вал перенесли в головку блока, чем и закончилась трансформация. Потом росли только степень сжатия и обороты. Но если «оборотистый» двигатель и годится для гонок (правда, не для всех), то для повседневной эксплуатации он не подходит: высоки требования к материалам, из которых сделаны детали, топливу и маслам, велики токсичность выхлопа и эксплуатационные расходы. Пришлось искать другие пути.

Площадь четырех вписанных кругов больше, чем двух; соответственно больше проходное сечение каналов, которые прикрыты клапанами.
Площадь четырех вписанных кругов больше, чем двух; соответственно больше проходное сечение каналов, которые прикрыты клапанами.

Идею двигателя с четырьмя клапанами на цилиндр не назовешь особо оригинальной или новаторской, но нельзя отрицать и то, что это достаточно простой способ улучшить наполнение цилиндра горючей смесью и удаление отработавших газов из него. Нарисуйте окружность и впишите в нее две другие максимально возможного диаметра, а затем попробуйте изобразить то же, но уже с четырьмя. Большая окружность обозначает цилиндр, а малые — каналы, закрытые клапанами. Невооруженным глазом видно, в каком случае площадь, занимаемая вписанными кругами, больше и, следовательно, больше проходное сечение впускного и выпускного каналов в головке двигателя.

Четыре клапана «спустились» с высот формулы 1 сначала на другие гоночные, затем на более простые спортивные автомобили, а сейчас они бодро «шествуют» от дорогих машин в средний класс и дальше, к любимым нами малым и дешевым (этот этап начался буквально год-два назад).

Кстати, двигателю с четырьмя клапанами на цилиндр вовсе не обязательно иметь два распределительных вала в головке, как думают иногда автолюбители. Есть моторы, в которых клапаны приводит один вал, например у «Мазды-121». Эта японская двухдверная машина (на фото) по размерам — аналог нашей «Таврии» (длина соответственно 3810 и 3708 мм), а по рабочему объему двигателя близка «восьмеркам» и «девяткам». У «Мазды» два варианта двигателя рабочим объемом 1324 см и мощностью 53 и 72 л.с., а до «сотни» она разгоняется за 13,7 и 11,4 с соответственно (ВАЗ-2108: 1,3 л, 65 л.с., 16 с). Конечно, хорошие характеристики — показатель технического совершенства всей машины, и мотор с четырьмя клапанами сыграл здесь не последнюю роль. «Мазда-121» — самая маленькая из поставляемых в Европу модель этой фирмы. Чтобы двигатель был дешевле, применен только один распределительный вал, нет распространенных сегодня гидравлических толкателей — в процессе эксплуатации зазоры придется регулировать. Цена машины в Германии около 19 тысяч марок.

Схема механизма газораспределения двигателя «Мазды-121»: зеленым цветом выделен распредвал, коричневым — клапаны с пружинами и фиксирующими деталями.
Схема механизма газораспределения двигателя «Мазды-121»: зеленым цветом выделен распредвал, коричневым — клапаны с пружинами и фиксирующими деталями. Интересно, что рычаги распредвала выполнены из легкого сплава (показаны желтым цветом) и снабжены стальными роликами (красные). Читатели легко найдут винты для регулировки зазора с контргайками и свечу зажигания (эти детали — белые).

Другая японская четырехклапанная машина, «Мицубиси-Галант» принадлежит к среднему классу (как наша «Волга») и стоит 37 тысяч марок (как самый дешевый «Мерседес»). В автомобилях такого класса простота и дешевизна — не главное; комфорт, техническое совершенство и снижение трудоемкости обслуживания гораздо важнее. На рисунке хорошо видны два распределительных вала, гидрокомпенсаторы клапанных зазоров. Заметим, что схема с двумя распредвалами применяется в четырехклапанных двигателях чаще. «Мицубиси-Галант» предлагают с двигателем рабочим объемом 2 литра в двух вариантах — с двумя и четырьмя клапанами на цилиндр (см. таблицу).

Вторая модификация — явно спортивного характера: заметно меньше время разгона, почти на две секунды, и расход топлива вполне приемлемый для такого мощного мотора.

Есть двигатели и с тремя клапанами на цилиндр: несколько таких моделей использует, например, «Тойота» на автомобилях «Старлет» и «Королла». В этом случае два клапана впускные, а один — выпускной. Это обусловлено тем, что для впуска требуется большее сечение: рабочая смесь хуже проходит по узким каналам, чем выхлопные газы.

Таковы дела на Востоке, но и на Западе не дремлют. Когда фирма «Опель» добавила к модификациям своей «Вектры» «модную» полноприводную, то едва не оступилась. Инертная трансмиссия, возросший вес машины почти свели на нет ее достоинства по сравнению с переднеприводной. Спасти положение помогла новая головка с четырьмя клапанами на цилиндр. Прибавилась мощность, динамика и скорость выросли под стать полноприводным амбициям (см. таблицу). Пожалуй, это пример настоящей конструкторской удачи, в чем убеждает сравнение «Вектры» и «Галанта», благо, по объему двигателей и габаритам они почти равны. Полноприводной машине по всем законам положено «есть» процентов на десять больше, но «Вектра» со всеми ведущими на поверку оказалась экономичнее переднеприводного «Галанта», что говорит само за себя.

Неумеренно популярный в нашей стране «Вольво-940GL» тоже имеет модификацию с многоклапанной головкой — 940GLT-16V, которая встречается намного реже. Резонно: нужда в лишних «лошадях» невелика, а платить за них мало желающих. Не прельщает и улучшенная динамика при умеренном росте расхода топлива (см. таблицу).

Внешне непохожие друг на друга, «Пежо-605» и «Ситроен-XM» по двигателям полностью идентичны: у обоих они V-образные шестицилиндровые, двух- и четырехклапанные. (Это варианты так называемого евромотора, разработанного и выпускаемого совместно еще с 70-х годов фирмами «Рено», «Пежо» и «Вольво» для своих престижных моделей.) «Пежо-605» — самая большая у этой фирмы, одна из самых солидных во Франции — должна представлять свою страну в крайне трудном для конкуренции «верхнем среднем» (по принятому в Германии делению) классе, соперничая с такими европейскими авторитетами, как «Ауди-100», БМВ пятой серии, «Мерседес-200-500E» (W124) (см. таблицу). Многоклапанный двигатель для данной модели (как и для «Вольво-940») — средство укрепиться на рынке мощных и скоростных автомобилей. 33 л.с. «сверху» и плюс 14 км/ч к максимальной скорости — неплохое приобретение при почти том же расходе топлива. А что предлагают серьезные и уважаемые БМВ и «Мерседес», ведь эти фирмы вряд ли клюнут на пустую затею? Если в 1988 году они делали по одной-две модели с четырехклапанными двигателями, то в 1992-м каждая выставила их более десяти — от купе и кабриолетов до универсалов, доказав, что спортивность не чужда и «грузовикам». Каковы же результаты?

Модель БМВ-318iS появилась как более дешевая альтернатива «325-й», но в то же время более мощная, чем базовая -318, специально для тех, кому не по карману «большой» двигатель. Более мощная машина получилась экономичнее на всех режимах, кроме городского цикла. Правда, для этого случая есть контраргумент — -318iS расходует бензин «супер», а не «нормаль», но в Германии разница в цене этих сортов бензина невелика (около пяти процентов).

Двигатель автомобиля «Мицубиси-Галант»: два распределительных вала, гидравлические компенсаторы клапанного зазора — типичные для четырехклапанных мот
Двигатель автомобиля «Мицубиси-Галант»: два распределительных вала, гидравлические компенсаторы клапанного зазора — типичные для четырехклапанных моторов.

Если сечение каналов больше, это не значит, что топлива в цилиндры поступает больше и расход должен быть выше. Многоклапанные головки двигателя позволяют изменить распределение рабочей смеси по камере сгорания, снизить потери впуска и уменьшить количество оставшихся в цилиндрах отработавших газов. Все это увеличивает КПД двигателя, следовательно, появляется возможность уменьшить расход, хотя бы на некоторых режимах. Кстати, двигатель потребляет не столько топлива, сколько войдет в цилиндры, карбюратор или система впрыска «определяют дозу» согласна желанию конструкторов. Но и разработчики иной раз вынуждены идти на уступки, например, применять высокооктановый бензин, как в описанном выше случае. А другие, более солидные модели? В таблице приведены характеристики БМВ 5-й серии. БМВ пришлось действовать так же, как «Опелю»: новая головка двигателя — и время разгона стало что надо! Так поступили в 1990 году с моделями -520 и -525, а еще через год выпуск этих моделей с двухклапанной головкой прекратили. Результат нам уже знаком: улучшены динамические качества, расход топлива снижен на всех стандартных режимах, кроме городского цикла.

Если не усложнять двигатель лишними валами и клапанами, а просто увеличить его объем? Ответ тоже есть в таблице. С появлением четырехклапанной «525-й» модель -530 (большего литража) сняли с производства. Машина с четырехклапанным двигателем разгоняется с места до 100 км/ч за 7,8 с, а с двухклапанным — за 8,5 с (с автоматической коробкой передач).

Если мы изучим все моторы, выпускаемые БМВ и «Мерседес-Бенц», то убедимся, что двухклапанные в последние годы почти не встречаются. Осенью 1992 года «Мерседес» упразднил их на самых популярных моделях -200 и -300, заменив четырехклапанными.

Конечно, улучшить характеристики автомобиля можно не только изменив конструкцию двигателя (увеличив число клапанов). Нередко вместе с этим изменяют передаточные числа в коробке передач, модифицируют систему впрыска топлива и т. д. Вспомните: у «Жигулей» двигатели разной мощности комплектуются коробками передач с различающимися передаточными числами. Но все же ведущие фирмы все шире применяют четырехклапанные двигатели. Исключение составляют американские: они комплектуют такими моторами лишь спортивные модели («Олдсмобил-Катлесс») и те, что изготовлены по кооперации с японскими фирмами («Форд-Торус-SHO»).

Каковы дальнейшие перспективы развития многоклапанных двигателей? Видимо, к концу десятилетия они полностью или почти полностью вытеснят обычные. «Мазда-121», о которой мы говорили,— далеко не предел: в Японии, где все еще популярны микролитражные, как говорили раньше, машины, четырехклапанный двигатель объемом 600—800 см3 (у той же «Мазды», «Дайхатсу», «Субару») — не редкость. В условиях современного производства затраты на выпуск технологически более сложной головки блока невелики, а повышенная цена автомобиля, как правило, оправдывается хорошими характеристиками и не отпугивает покупателя.

Некоторые и у нас, и на Западе ездят на четырехклапанных машинах, даже не подозревая об этом. Автомобильные фирмы иной раз упоминают о конструкции только в технических характеристиках: ведь потребителя волнуют эксплуатационные показатели, а не устройство двигателя. Другие, наоборот, стремятся подчеркнуть технический уровень или спортивные качества модели, тогда в названии появляются обозначения «16V», «24V». Первое говорит о том, что двигатель имеет четыре цилиндра и четыре клапана на цилиндр, всего шестнадцать, а второе — шесть цилиндров, по четыре клапана на каждый (6X4=24). Индексы трехклапанных двигателей «12V», «18V». Те же надписи могут быть и на клапанной крышке, а кроме них «DОНС» и «Twincam», что означает «два распределительных вала в головке». Если же рядом с «DОНС» не стоит «12V» или «24V», то двигатель вовсе не обязательно четырехклапанный: два распредвала могут быть и у обычного, двухклапанного.

Представим, что вы пришли в магазин и увидели некую модель как с двухклапанным двигателем, так и с четыреклапанным. Какой вариант предпочесть? С точки зрения «чистого ездока», автомобиль с многоклапанным мотором, безусловно, хорошее приобретение: высокая мощность, отличная динамика при приемлемом расходе топлива будут радовать. Но заплатить придется на 10—30% больше, правда, не только за клапаны: вы наверняка получите еще литые диски, широкие покрышки, спойлеры и много других приятных мелочей. В эксплуатации такой автомобиль будет ненамного дороже, но в случае крупного ремонта двигателя возможны дополнительные расходы: запчастей понадобится больше и придется поискать того, кто возьмется.

Есть еще нюанс: мощная машина великолепно проявляет темперамент водителя, и если вы привыкли давить на газ до упора, на умеренный расход не надейтесь. Впрочем, клапаны тут не виноваты, чаще посматривайте на эконометр и держите стрелку подальше от красной зоны.


 
Сравнительные характеристики автомобилей с двух- и четырехклапанными двигателями.

Мицубиси-Галант


2 клапана
4 клапана
Индекс
2.0GLSi
2.0GTi-16V
Максимальная мощность л.с. (кВт)/ об/мин
109(80)/5500
146(107)/6500
Максимальный крутящий момент Н•м/ об/мин
159/4500
170/5000
Максимальная скорость, км/ч
188
207
Время разгона с места до 100 км/ч, с
10,6
8,8
Расход топлива при 90,120 км/ч, городском цикле
6.2/8.1/10.0
7.2/8.9/11.4

Опель-Вектра


2 клапана
4 клапана
Индекс
4x4 2.0i
4x4 2.0i16V
Максимальная мощность л.с. (кВт)/ об/мин
115(85) / 5200
150(110) / 6000
Максимальный крутящий момент Н•м/ об/мин
170 / 2600
196 / 4800
Максимальная скорость, км/ч
194
214
Время разгона с места до 100 км/ч, с
10,8
9,3
Расход топлива при 90,120 км/ч, городском цикле
7.2 / 8.6 / 11.9
6.8 / 8.3 / 11.5

Вольво


2 клапана
4 клапана
Индекс
940GL
940GLT 16V
Максимальная мощность л.с. (кВт)/ об/мин
131(96) / 5500
155(114) / 5700
Максимальный крутящий момент Н•м/ об/мин
185 / 2950
203 / 4450
Максимальная скорость, км/ч
190
200
Время разгона с места до 100 км/ч, с
11,2
10,2
Расход топлива при 90,120 км/ч, городском цикле
7.1 / 9.2 / 12.9
7.3 / 9.7 / 13.4

Пежо


2 клапана
4 клапана
Индекс
605SV 3.0
605SV24
Максимальная мощность л.с. (кВт)/ об/мин
167(123) / 5600
200(147) / 6000
Максимальный крутящий момент Н•м/ об/мин
235 / 4600
260 / 3600
Максимальная скорость, км/ч
222
236
Время разгона с места до 100 км/ч, с
8,6
8,2
Расход топлива при 90,120 км/ч, городском цикле
8.8 / 9.6 / 15.0
7.8 / 9.6 / 15.5

БМВ 3-й серии


2 клапана
4 клапана
Индекс
318i
318iS
Максимальная мощность л.с. (кВт)/ об/мин
113(83) / 5500
136(100) / 6000
Максимальный крутящий момент Н•м/ об/мин
162 / 4250
172 / 4800
Максимальная скорость, км/ч
188
202
Время разгона с места до 100 км/ч, с
10,8
9,9
Расход топлива при 90,120 км/ч, городском цикле
6.7 / 8.6 / 10.3
6.4 / 8.2 / 10.9

БМВ 5-й серии


2 клапана
4 клапана
2 клапана
4 клапана
2 клапана
Индекс
520i
520i
525i
525i
530i
Максимальная мощность л.с. (кВт)/ об/мин
129(95) / 6000
150(110) / 5900
170(120) / 5800
192(141) / 5900
188(138) / 5800
Максимальный крутящий момент Н•м/ об/мин
164 / 4300
190 / 4700
222 / 4300
245 / 4700
260 / 4000
Максимальная скорость, км/ч
203
211
221
230
227
Время разгона с места до 100 км/ч, с
11,9
10,0
9,5
8,6
8,6
Расход топлива при 90,120 км/ч, городском цикле
7.0 / 8.5 / 13.1
6.6 / 8.1 / 13.9
7.5 / 9.2 / 13.6
6.9 / 8.6 / 14.2
7.4 / 9.2 / 15.9

А. ФОМИН («За рулем», 1993, № 1)