Журнальная статья 1986-ого об истории появления и преимуществах мультиклапанных систем двигателя (Échappement, Франция)

Перевод статьи об истории появления и преимуществах мультиклапанных систем двигателя от французского автомобильного журнального издания Échappement, № 210, Апрель, 1986.

ВЫСШИЙ ИНЖЕНЕРНЫЙ КЛАСС

Четыре клапана на цилиндр, долгое время считавшиеся, наряду с двумя верхними распредвалами, вершиной инженерной мысли, сегодня становятся доступнее. Механизм газораспределения — то есть, совокупность механизмов, регулирующих поток газов в тепловых двигателях, — всегда был предметом глубокой работы среди мотористов. По той или иной причине эта функция всегда вызывала живой интерес у инженеров... и у пользователей, и именно она исторически претерпела самые глубокие изменения.

Столетие назад существовавшие двигатели были (почти) повсеместно паровыми, и совсем молодым двигателям внутреннего сгорания не пришлось далеко искать вдохновение: для управления газообменом заслонки и клапаны отлично подходили, и их позаимствовали без серьезных изменений. Но картезианские умы очень быстро обеспокоились нерациональностью этих клапанов-тюльпанов, которые били по своим седлам, искривляли свои направляющие и принимали вид цветной капусты вблизи кулачков.

С самого начала века появились первые безклапанные двигатели — формула, которая между двумя войнами пережила свой звездный час в виде скользящих или вращающихся гильз, а затем в виде вращающихся чашек или золотников в головке блока. Но промышленная инерция уже сделала свое дело: поставщики, субподрядчики... и мотористы уже специализировались, приобрели ноу-хау, разработали специфические технологии и понемногу справлялись с проблемами, присущими этим простым клапанам. Металлургия пружин, разработка сталей и материалов, лучше выдерживающих эти оригинальные условия работы, быстро позволили избежать массового обращения к революционным технологиям, которые неизбежно приносили новые проблемы, требующие решения.

Мульти-десмо: один-ноль!

Должна была остаться только одна настоящая трудность: переменные инерционные силы. Двигатели вращались все быстрее, и становилось все сложнее контролировать дьявольские возвратно-поступательные движения поршней и клапанов. Что касается поршней, с проблемой справились, уменьшив одновременно рабочий объем каждого цилиндра и ход поршня (даже если для этого приходилось увеличивать диаметр цилиндра); а что касается клапанов, та же идея привела инженеров к тому, чтобы поручить возврат клапанов на их седла механическим устройствам (а не просто пружинам, которые были слишком ненадежными)... или увеличить количество этих клапанов. Оба принципа, родившиеся в течение первых десяти лет века, сосуществовали много лет, но мультиклапанные системы имели преимущества, которых не было у десмодромных систем, и в конечном итоге именно они одержали верх. Потому что в целом десмодромные приводы состояли в удвоении привода клапанов, то есть в разработке закрывающего распредвала (относительно сложный расчет, поскольку требовалось учесть совместимость с открывающим распредвалом), его изготовлении, монтаже, приводе, при этом сохраняя возможность регулировки зазоров: все это сложные и дорогостоящие операции, которые привели к полному вытеснению десмодромного газораспределения из серийного производства, за исключением одной итальянской марки мотоциклов, построившей свой имидж на этой конструктивной особенности.

Мультиклапанная система: недешево

Однако не следует заключать из этого, что размещение более двух клапанов в каждой камере сгорания является легким решением: в течение долгого времени от этого отказывались, и именно по экономическим причинам. Во-первых, это усложнение литья головки блока: не только ее форма становится более извилистой, но и ее жесткость страдает из-за того «сырного» вида, который она начинает приобретать. Предварительные исследования, предшествующие разработке головки блока, соответственно удлиняются.

Во-вторых, раз уж инерционные силы делятся, то стоит этим воспользоваться и довести игру до конца; поэтому существует моральное обязательство сочетать многоклапанную систему с механизмом газораспределения, который сам по себе имеет низкие инерционные силы, например, двойной распредвал. Это часто дороже, чем один распредвал... или коромысла, хотя следует остерегаться обобщений, основанных на старых технологиях строительства: исторически сложилось, что двигатель с боковым расположением клапанов всегда считался более экономичным (в производстве), чем двигатель с коромыслами, который сам по себе был менее сложен, чем двигатель с одним распредвалом, который сам по себе был менее технологичным, чем двойной распредвал; но технологии развиваются, относительные затраты меняются, и ничто не доказывает, что эти старые принципы по-прежнему актуальны.

Более того, поскольку мы говорим о больших деньгах, можно пойти на полную провокацию и сказать, что при определенных обстоятельствах четырехклапанный двигатель может стать дешевле — по крайней мере, в производстве — чем двухклапанный. Это может произойти, в частности, на двигателях на последней стадии разработки, на моторах, которые для работы в двухклапанном варианте должны были бы использовать сложные пружинные стали, специальную обработку поверхности (например, на кулачках) и слишком изысканные материалы седел или направляющих. Такие двигатели, переведенные на три или четыре клапана, становятся менее требовательными к деталям, из которых они состоят: они содержат больше механических деталей, это правда, но эти детали менее нагружены, следовательно, проще, и затраты компенсируются. Общее количество деталей больше не является критерием: сегодня уровень их сложности — вот что имеет значение для кошелька.

Клапаны: зачем они нужны?

Это уточнение важно: оно частично объясняет нынешнюю доступность мультиклапанных систем. Потому что их распространение на самом деле объясняется двумя совершенно разными аргументами: с одной стороны, как ни парадоксально, их относительная экономичность, а с другой — прирост производительности, который они обеспечивают. Экономический аспект частично связан с неэтилированным бензином, который, как признано, очень требователен к седлам клапанов. Подсчитав свои расходы, мотористы быстро обнаружили, что для них может быть более выгодно перейти на многоклапанную систему, чем использовать усовершенствованные марки материалов для седел.

Следует также учитывать, что, с учетом норм выбросов, сегодня существует тенденция заставлять двигатели работать на обедненной смеси; а бедная смесь означает горячий двигатель. Избыток бензина в богатой смеси позволяет теплу легче транзитом проходить через выпуск: по сути, это также цель впрыска воды, который в некотором роде конденсирует тепло, не позволяя ему слишком быстро рассеиваться в металле. В этом отношении многочисленные клапаны имеют решающее преимущество: будучи менее объемными, они менее чувствительны к нагреву, имеют меньше шансов стать горячей точкой и более охотно передают тепло в систему охлаждения через свои стержни, свои седла и свои направляющие, тогда как более массивная деталь, напротив, будет склонна накапливать тепло. Поэтому не ищите другой причины присутствия четырех клапанов на двигателях, априори не спортивных: возможно, это влияние американского рынка (в частности), и, без сомнения, для Porsche (на 928 S... для США), Jaguar и некоторых других это способ удовлетворить действующим нормам с определенным комфортом.

Лошадиные силы прежде всего

Но приоритетная цель этих мультиклапанных систем остается, очевидно, в приросте производительности. Это связано с очень простым явлением: то, что сегодня ограничивает атмосферные двигатели, — это их посредственное наполнение. Свежие газы, приближаясь к перегретой камере сгорания, сталкиваются с тепловым барьером, получают волну тепла, которая препятствует их дальнейшему проникновению. Даже не говоря о паровой пробке, можно сказать, что свежие газы неохотно устремляются в эту печь, независимо от фаз газораспределения или (более или менее разумного) дизайна каналов. Таким образом, проницаемость головки блока является обязательным условием, приоритетной целью для мотористов, особенно на впуске: на выпуске, хотя клапаны и представляют отработавшим газам значительную поверхность, всегда можно справиться. Поршень при своем подъеме способствует удалению газов, в то время как его опускание, очевидно, менее эффективно для всасывания свежих газов. Следует также отметить, что на двигателях, которые не решаются перейти на четыре клапана и, следовательно, довольствуются только одним дополнительным клапаном (по сравнению с двумя, составляющими законодательный минимум), почти систематически удваивается именно впуск.

Очень быстрый расчет действительно показывает, что при идентичном диаметре цилиндра, при неизменном подъеме клапана, сечение прохода газов (которое определяет проницаемость камеры сгорания) значительно выше с двумя клапанами, чем с одним, даже если этот один клапан имеет больший диаметр. Если к этому добавить тот факт, что при одинаковых оборотах более легкий клапан будет терпимее к более резким движениям, следовательно, к более высокому и менее плавному подъему, или же, что при одинаковом подъеме его пружина выдержит более высокие обороты, мы получим представление о потенциале таких конструкций по сравнению с обычными головками блоков.

Обратная сторона медали

К сожалению, как Вы догадываетесь, этот прирост не является полностью бесплатным: подобно тому, как производительный выпуск — это всегда выпуск, настроенный на определенные обороты, подобно тому, как спортивная фаза газораспределения сводится практически к фазе, совместимой с высокими оборотами, проницаемая головка блока часто соответствует головке блока, плохо приспособленной к частичным нагрузкам, средним оборотам и небольшим открытиям дроссельной заслонки. Головка блока, обеспечивающая большую пропускную способность при полном открытии, часто является головкой блока, которая в переходных режимах недостаточно турбулентна; однако не будем забывать, что КПД двигателя во многом зависит от турбулентности: прежде всего необходимо обеспечить поступление газов в камеру сгорания с высокой скоростью и, если возможно, с вращательным движением. Таким образом, все они проходят перед свечой, а не ждут, пока их достигнет гипотетический фронт пламени.

Это условие, как легко догадаться, трудновыполнимо, когда отверстия в камере сгорания имеют размер ворот сарая. И именно для исправления ситуации в эти моменты некоторые четырехклапанные двигатели используют ухищрения для улучшения турбулентности (в частности, путем повышения скорости газового потока) при частичных нагрузках. Япония, которая уже несколько лет не является недобросовестным копировальщиком, каким ее хотят выставить, является пионером в этих технологиях, что вполне естественно, поскольку она была среди первых, кто реанимировал идею четырех клапанов.

Как и положено, у каждой есть свой метод: Toyota (на своих Corolla и Celica) закрывает каждый второй впускной канал ниже определенной частоты вращения — в то время как Honda (на некоторых мотоциклах) отключает каждый второй впускной клапан, как и Mitsubishi. Принцип в любом случае обещает распространиться, о чем свидетельствует новая Fiat Croma, о которой мы рассказываем в этом же номере: Fiat здесь повторяет идею, которую Yamaha использует на мотоциклах уже несколько лет, и еще раз демонстрирует, что Fiat — среди крупных производителей та, которая больше всего заботится об эволюции газораспределения (в прошлом компания несколько раз представляла свои работы по изменяемым фазам).

Для кого?

Увидим ли мы больше мультиклапанных систем в будущем? Это несомненно, как из-за возможного прироста производительности, так и — на некоторых двигателях — из-за простого, почти экономичного характера этого прироста. К этому можно добавить последний аргумент: мода. И когда мы видим, как некоторые производители используют турбонаддув, можно успокоиться: у этой технологии, в виде фетишистского талисмана, есть будущее!

Радиальные клапаны

Мотористы иногда люди принципиальные. Исходя из постулата о том, что камера сгорания должна быть идеально полусферической или даже линзообразной, некоторые инженеры следовали этому принципу неукоснительно, стремясь свести все клапаны к одной точке. В истории можно найти немало таких двигателей, но при этом впечатляющего прироста производительности никогда не было получено, чтобы вознаградить конструктивную сложность, неразрывно связанную с этим принципом. Можно привести в пример головки блока инженера Апфельбека (которые долгое время экспериментировались в BMW в 60-х годах) и напомнить, что Honda применяет такую схему на нескольких современных моделях мотоциклов.

Пневматический привод клапанов Renault

У истории бывают такие совпадения: годами механизм газораспределения не был предметом впечатляющих работ, и вот, один за другим, появляются поразительные нововведения: распространение мультиклапанных систем... и пневматический возврат клапанов на болиде Renault Формулы 1!

Речь идет, грубо говоря, о замене металлических пружин клапанов на пневматические пружины, как в некоторых подвесках. Для этого баллон с азотом объемом около пол-литра размещается в развале V-образного блока цилиндров, и его давление (от 100 до 200 кг/см2) подается под толкатели. Разумеется, экономится вес, но главное — легче избегать паразитных резонансов. Потенциально можно даже предусмотреть индивидуальную настройку демпфирования, настроенную на определенные обороты, например, чтобы ограничить отскоки и зависания клапанов, заставляя газ проходить через клапаны или калиброванные отверстия. Очевидно, что область развития этого принципа открывает широкие горизонты для повышения оборотов... без необходимости перехода на более чем четыре клапана, для уменьшения потерь на трение (а значит, и расхода топлива), или для выбора более агрессивных фаз газораспределения.

1910 год, благословенная эпоха?

1909, 1910: любопытно, но первые мультиклапанные системы датируются этим временем, и позднее их следов почти не найти. Любопытно? Не совсем. Фактически, оказалось, что регламент того времени ограничивал гоночные двигатели не по рабочему объему, а по диаметру цилиндра; и производители — будучи не глупыми — поспешили тогда создать двигатели с ультрадлинным ходом (длинноходные), которые нужно было как-то питать, отсюда и появление этих пяти или шести клапанов у Opel, Borderaux, Peugeot и так далее.