МЕНЯЕМ МОТОР НА ХОДУ
Виниловые пластинки и проигрыватели для их прослушивания нынче раритет, но многие еще помнят, как работали эти музейные редкости. Игла проигрывателя скользила по дорожке пластинки, представляющей собой последовательность впадин и выступов, а дальше...
А дальше речь пойдет о моторах с изменяемыми фазами газораспределения. Фазами газообмена в двигателе заведует распределительный вал. А все дело в том, что распредвал, управляющий в двигателе наполнением цилиндров свежей горючей смесью и их очисткой от отработавших газов, по своей сути, такая же пластинка.
Железная логика кулачка
Угловое расположение кулачков на распредвале и, главное, их геометрическая форма являются основополагающей программой, согласно которой "звучит" тот или иной мотор. Правда, расположение кулачков не столько определяет, сколько подчиняется порядку работы цилиндров двигателя, но зато профиль каждого кулачка - это серьезнейший параметр. Именно от профиля зависит, когда управляемый кулачком клапан открывается и закрывается, каким окажется его рабочий ход, и какой период, выраженный в градусах угла поворота коленчатого вала, клапану предстоит находиться в открытом или закрытом состоянии.
По причине раз и навсегда заданного профиля обеспечить идеальную работу двигателя они способны только в достаточно узком диапазоне скоростей вращения коленчатого вала. В остальных скоростных режимах говорить о гармонии между характеристиками двигателя не приходится.
Чем это чревато? Например, форсирование двигателя по мощности и оборотам неизбежно вызывает смещение частоты вращения, соответствующей пику крутящего момента, в область более высоких оборотов. А при этом мотор теряет способность обеспечивать легкое троганье автомобиля с места и уверенную езду уже при минимальных оборотах, становится менее эластичным, что при движении на подъем или в рваном ритме городского потока вынуждает водителя только тем и заниматься, что перлюбирать передачи.
Сдвиг по фазе
В 1983 году компания Alfa Romeo предложила гидравлический механизм, который, повинуясь сигналам электронной системы управления двигателем, поворачивал распредвал впускных клапанов на определенный угол относительно начального положения. Угловое положение распредвала, управляющего выпускными клапанами, оставалось неизменным. Тем самым в зависимости от частоты вращения коленчатого вала и нагрузки на двигатель система Alfa Romeo позволила управлять моментами открытия-закрытия впускных клапанов, а также продолжительностью перекрытия клапанов - периодом, когда впускной и выпускной клапаны открыты одновременно.
Через десять лет этим же принципом воспользовалась компания BMW. Система, получившая название VANOS, также изменяла угловое положение распредвала впускных клапанов. Первым мотором BMW, получившим VANOS, стала рядная "шестерка" объемом 2,8 л. Примечательными в этом двигателе были две вещи. Во-первых, при том что пиковую мощностью в 193 л.с. он развивал при 5300 об/мин, благодаря управляемому газораспределению 90% максимального крутящего момента поддерживались в диапазоне от 2200 до 5400 об/мин. Словом, несмотря на то, что этот мотор был способен превратить BMW 3-й серии, на которой он появился впервые, в "пушку", на малых и средних оборотах он сохранял приемлемые для езды в обыденных условиях эластичность и тяговитость. Во-вторых, удивлял умеренный аппетит этого двигателя: в среднем всего 8,5 л/100 км - для мотора мощностью под две сотни "лошадей" такое казалось фантастикой.
BMW не стал останавливаться на достигнутом, и тогда же для модели M3 разработал систему Double VANOS. Уже из названия понятно, что здесь возможность поворачиваться получил не только распредвал впускных клапанов, но и распредвал, управляющий выпускными клапанами. Максимальный угол поворота первого составлял 62 градуса, второй мог поворачиваться на 40 градусов. Распредвалы занимали положение, наиболее выгодное для конкретного режима работы двигателя, за четверть секунды. Информация для размышления: объем двигателя M3 Double VANOS 3,2 л, максимальная мощность 321 л.с. при 7400 об/мин, 90% от максимальных 350 Нм крутящего момента поддерживались в диапазоне 3000-6000 об/мин, средний расход топлива 8,8 л/100 км.
Два в одном
Системы фазового вращения распредвалов управляют газораспределением бесступенчато. Это их достоинство, но они требуют сложного электронного обеспечения, не способны изменять ход клапана и влиять на продолжительность периода, в течение которого клапан остается открытым. Поэтому Honda избрала другой путь регулирования газообмена в двигателе.
Однако кулачок не резиновый, и произвольно изменять его высоту и ширину практически невозможно. В системе VTEC, появившейся, кстати, за три года до того, как BMW предложил VANOS, каждый клапан обслуживается сразу двумя кулачками, имеющими различный профиль. В работу кулачки, разумеется, вступают поочередно, что на практике напоминает замену на двигателе прямо на ходу одного распредвала другим.
Непосредственно с толкателем клапана контактирует кулачок, отвечающий за работу мотора в диапазоне от холостых оборотов до 5300 об/мин, обеспечивая при этом прежде всего экономичность и оптимальную именно для этих режимов работы характеристику развития крутящего момента. Толкатель, расположенный под кулачком со "спортивным" профилем, все это время работает вхолостую. Но как только обороты двигателя превысили отметку 5300, оба толкателя блокируются друг с другом при помощи внутреннего поршенька, управляемого давлением масла. Когда такая блокировка происходит, первый кулачок выводится из игры, а в работу вступает кулачок, обеспечивающий увеличенную высоту подъема клапана и большую продолжительность времени его открытия. Как следствие, улучшается наполнение цилиндров горючей смесью и резко увеличивается мощность, чем гарантируется тот самый "подхват", который и прославил моторы Honda VTEC.
Работа над недостатками
Что, впрочем, лучше - плавное управление фазами, как в VANOS, исключающее, однако, возможность влиять на ход клапанов, или ступенчатость VTEC? Ответ далеко не прост, но подсказку можно найти в дальнейших действиях, предпринятых BMW и Honda.
Японцы неоднократно модернизировали VTEC, и нынешнее поколение этой системы отличается тем, что подбирает фазы газораспределения и величину открытия клапанов не для двух, а трех скоростных режимов работы двигателя. Кроме того, Honda разработаны несколько типов VTEC, в том числе такая разновидность, в которой на низких оборотах один из двух впускных клапанов не открывается вовсе. А в системе i-VTEC наконец-то появилось то, с чего в свое время все и начиналось - фазовращатель распределительного вала.
BMW же, напротив, к стандартной системе фазового вращения распредвалов VANOS в 1997 году добавил Valvetronic - механизм, изменяющий пространственное положение распредвала впускных клапанов. Благодаря Valvetronic появилась возможность манипулировать ходом клапанов, выбирая высоту их подъема в зависимости от режима работы двигателя. Ставшая известной примерно в то же время система Porsche VarioCam подразумевает такой же принцип работы.
Без распредвала
Еще в 1998 году BMW допустил утечку в прессу информации об испытаниях двигателей с электромагнитным приводом клапанов. Допустил, надо полагать, намеренно, судя по тому, как эта информация была строго дозирована. Так вот, при таком способе управления открывают и закрывают клапаны не кулачки и пружины, а индивидуальные для каждого клапана электромагниты. Причем эти электромагниты поднимают клапаны на точно заданную процессором высоту всего за какие-нибудь тысячные доли секунды, а затем быстро, но без ударов, вызывающих появление микротрещин и износ фаски клапана и его седла в головке цилиндров обычного двигателя, опускают их на место.
В 2000 году компания Lotus объявила об успешном завершении стендовых испытаний безраспредвального двигателя, в котором движением клапанов управляют электромагнитные реле и гидротолкатели. Давление масла в контуре, питающем гидротолкатели, уменьшалось или увеличивалось по командам электронного блока, определяющего оптимальные фазы газораспределения для каждого момента работы двигателя. В 2005 году Lotus и вовсе грозился начать подготовку серийного производства такого мотора. Пока тишина, но следует признать, что от открывающихся при безраспредвальном способе управления клапанами перспектив - дух захватывает. Хотя бы потому, что такое управление предлагает простое решение известного, но трудно реализуемого механически способа экономии топлива на режимах частичных нагрузок путем отключения некоторых цилиндров. Другими словами, электромагнитные клапаны при необходимости будут превращать 8-цилиндровый двигатель в 6- или даже 4-цилиндровый. Или 16-клапанный мотор - в 12- либо 8-клапанный.
Сергей ВОЛКОВ.