Танцы поршней с клапанами: почему «безвтыковые» двигатели уходят в прошлое
Многие еще помнят замечательные моторы, у которых при обрыве ремня ГРМ или другой неисправности системы газораспределения встреча поршня с клапанами была невозможной. В последнее время таких выдающийся двигателей уже практически никто не делает. Почему? Неужели они никому не нужны и у них нет никаких перспектив? Постараемся сегодня разобраться в этих вопросах.
Чуть ли не единственным примером созданного в последние годы двигателя, у которого при обрыве ремня ГРМ не гнет клапаны, является мотор ВАЗ-11184 обновленной LADA Niva Travel. Мы о нем подробно рассказывали, напомним только основное. В этом двигателе за счет оптимизации конструкции камеры сгорания и цилиндро-поршневой группы и с применением отливки поршня мотора 1,8 EVO удалось полностью исключить риск контакта клапанов с поршнем. Но надо понимать, что это довольно маломощный агрегат, выдающий на максимуме всего 90 л. с. и 153 Нм момента. В общем-то, главным образом, именно такими характеристиками и объясняется возможность сделать его, говоря языком современных двигателистов, «безвтыковым». Но если бы от мотора требовались более серьезные ВСХ, его с большой вероятностью пришлось бы изобразить «втыковым». То есть таким, у которого встреча поршней с клапанами оборачивалась бы явлением, именуемым в народе «сталинградом».
Двигатель ВАЗ-11184. Фото: Михаил Калинин
Фото: Михаил Калинин
Фото: Михаил Калинин
Почему? Сейчас расскажем, но для начала быстренько пробежимся по теории.
В ритме танца
Если бы автор этих строк был поэтом, он наверняка сравнил бы процессы, происходящие внутри двигателя, с танцем, в котором кружатся движущиеся части агрегата. Этот танец будет красивым и слаженным только тогда, когда все танцоры действуют согласованно, в едином ритме и с заданной последовательностью.
Но представьте, что произойдет, если один из танцоров перестанет слушать музыку и поддерживать общий ритм. Весь танец рассинхронизируется, и случится коллапс, последствия которого могут быть весьма плачевными. В зависимости от того, в каком двигателе эта рассинхронизация случается, во «втыковом» или «безвтыковом», она приведет либо к серьезным повреждениям (в первом варианте), либо к незначительному ремонту (во втором).
Все зависит от того, каким образом сконструирована цилиндро-поршневая группа. Как известно, в любом четырехтактном двигателе внутреннего сгорания (а именно такие обычно используются в современном автомобилестроении) за каждые два оборота коленчатого вала поршни совершают четыре хода вверх и вниз (по два вверх и вниз). Распределительные валы за это же время совершают один оборот, открывая и закрывая впускные и выпускные клапаны. Тем самым обеспечиваются такты впуска, сжатия, рабочего хода и выпуска.
Фото: marilook_rus, depositphotos.com
В этой связи «втыковость» двигателя (или поршня, потому что это определение в сложившейся терминологической практике применяют как ко всему агрегату, так и к отдельному компоненту) зависит исключительно от траектории движения «танцоров» в виде поршней и клапанов. Точнее, от того, пересекаются ли эти траектории.
В «безвтыковом» двигателе, когда поршень находится в верхней мертвой точке (ВМТ), он никогда не поднимается выше полностью открытого клапана. То есть, поршень никогда не сможет «вмешаться» в работу клапанного механизма. Во «втыковом» моторе поршень может попасть в ту же точку пространства, что и открытый клапан. И точное соблюдение фаз газораспределения – это единственное, что удерживает поршень и клапан от встречи, приводящей «втыковые» двигатели к фатальным последствиям.
Локальная катастрофа глобального значения
За соблюдение фаз отвечает привод ГРМ. При обрыве ремня или перескоке цепи неизбежно происходит рассогласование фаз, последствия которого могут различаться.
Фото: Александр Омеличев
При обрыве ремня клапанный механизм остановится практически мгновенно, в то время как тяжелый коленчатый вал и поршни по инерции продолжат движение. «Безвтыковый» двигатель после этого просто заглохнет, а поскольку пути «танцоров» никогда не пересекаются, то поршень не коснется клапана, и все проблемы ограничатся необходимостью замены ремня ГРМ.
Во «втыковых» двигателях все гораздо хуже. Уже через тысячные доли секунды после остановки клапанного механизма рассинхронизированный «танцор» врежется в открытый клапан. Если же механизм не остановился, но рассинхронизировался, например, из-за перескока цепи, её растяжения или ослабления натяжения, как минимум пострадают клапаны.
Фото: Yakov_Oskanov, depositphotos.com
В любом случае в таком моторе потребуется демонтаж головки блока цилиндров. А если куски сломанного клапана какое-то пусть даже самое непродолжительное время продолжат свой «танец» в камере сгорания – пиши пропало. Масштаб ремонта однозначно станет грандиозным, иногда – вплоть до замены двигателя.
Выбор сильных
Что же это получается? Какой-то международный заговор с целью содрать побольше деньжат с честных тружеников и просто любителей «баранки»? По всему ж выходит, что «безвтыковый» двигатель лучше: он надежнее и не повреждается в случае обрыва привода ГРМ. Но делают в основном «втыковые». Парадокс? К сожалению, нет.
Большинство современных двигателей сконструированы «втыковыми» не для того, чтобы моторостроители и авторемонтники гребли капусту рваными цепями. Дело в том, что такие моторы гораздо производительнее, поскольку клапаны открываются раньше, а закрываются позже. Причем и опускаются они ниже, и по размеру могут быть больше.
Фото: jannystockphoto, depositphotos.com
Кроме того, «втыковые» двигатели могут иметь более высокую степень сжатия, которая обеспечивает достойную мощность, завидную экономичность и низкий уровень вредных выбросов в отработавших газах. Для этого приходится делать минимальные зазоры в камере сгорания и поршни странной куполообразной или заостренной формы, которая помогает им занимать больше места в камере и сокращать ее объемы. Собственно, дизельные двигатели всегда «втыковые» только потому, что требуют чрезвычайно высокой степени сжатия.
Играет свою роль и общая тенденция к облегчению агрегатов и сокращению их габаритов. Все это приводит к тому, что конструкторы, выбирая между беспокойством о вероятности встречи поршня с клапанами и достижением более высоких эксплуатационных характеристик, отдают предпочтение последнему. Рискнем предположить, что и любой из автомобилистов, читающих сейчас эти строки, поступил бы точно так же.
Неужели никак?
Инженеры многих автопроизводителей долгие годы бились над созданием «безвтыкового» двигателя, не уступающего по своим характерам «втыковому». На первый взгляд все просто: нужно создать такую конструкцию ЦПГ, чтобы поршни никогда не встречались с клапанами. Для этого надо так рассчитать камеру сгорания, чтобы ВМТ поршня находилась ниже максимального выхода клапана. Вроде бы – элементарно, но такая камера сгорания заставляла распрощаться с высоким КПД и экономичностью.
Фото: Beaver1488, depositphotos.com
В какой-то момент возникла идея с выточками, лунками, проточками, выемками или карманами (как их только не называют) на поршне, которые позволяли бы клапану избежать встречи с его поверхностью. Идея «безвтыковых» поршней неплохая, но не идеальная. Во-первых, все эти проточки сказываются на надёжности самого поршня, который должен выдерживать серьёзные нагрузки. А учитывая, что эти нагрузки постоянно повышаются увеличением степени сжатия, приходится как-то усиливать конструкцию. То есть, повышать вес поршня, менять его форму и проделывать другие вещи, которые заканчиваются замкнутым кругом и тупиком. Во-вторых, эти же меры приводят к тому, что размер камеры сгорания увеличивается. Из-за этого приходится колдовать с самой камерой сгорания, в результате чего её форма становится слишком сложной, а сгорание топливовоздушной смеси – недостаточно равномерным. В-третьих, нельзя забывать про нагар. Большинство современных двигателей имеют непосредственный впрыск топлива, одним из недостатков которого по праву считается активное образование нагара на клапанах. В какой-то момент этот нагар просто уничтожает «зазор безопасности», и мотор с «безвтыковыми» поршнями становится вполне «втыковым». Получается, что мы одну обузу (контроль состояния привода ГРМ) меняем на другую – контроль нагарообразования и его устранение. Поверьте на слово: первое сделать гораздо проще, чем второе. И с точки зрения диагностики, и в плане выполнения работ.
Фото: Beaver1488, depositphotos.com
Поэтому вывод очевиден: взвесив все «за» и «против», мировое автомобильное сообщество пришло к тому, что на сегодня «втыковые» двигатели всё же предпочтительнее «безвтыковых». Хотя бы потому, что они позволяют с единицы объема получить максимум эксплуатационных характеристик. «Безвтыки» становятся моторами для нишевых автомобилей, и обновленная LADA Niva Travel, в общем-то, очень показательный пример.
