Охц и Дохц

материал из журнала "Моторевю"
текст: .Stinger, Владимир Завьялов

Главный определяющий признак назначения четырехтактного ДВС и степени его совершенства – конфигурация газораспределительного механизма, скрывающаяся в характеристике за непонятными многим буквенно-цифровыми обозначениями.

«ТУДЫ ЕГО В КАЧЕЛЬ!»
– говаривал по поводу и без повода один мой препод. «Куды» и в какую «качель» запхать… простите, запихнуть Главную Руководящую и Направляющую Силу мотора – его распредвал – над этой проблемой 100 лет назад бились лучшие инженерные умы мира. Из вороха идей, порожденных ими, до наших дней дожили немногие, но лучшие.

Первая схема была продиктована соображениями механики. Известная нам по древним «оппозитам» и «валуям» SV (Side Valve – боковые клапаны) предусматривала расположение распредвала в непосредственной близости к коленвалу. Приводясь парой шестерен от последнего, непосредственно или с помощью коротких толкателей (служивших заодно регулировочными устройствами). Технологично, компактно и просто. С точки зрения механики.
Но не термо- и газодинамики! Конструкция камеры сгорания противоречила всем канонам этих нарождавшихся наук.

В результате потери на газообмен получались колоссальными, степень сжатия никак не удавалось сделать более-менее высокой, а значит – раскрутить мотор до сколько-нибудь высоких оборотов ну никак. Зато технологично, что и предопределило использование такой схемы на тихоходных движках, к настоящему времени практически полностью «выведенных из оборота». Почти – потому что на некоторых мотокультиваторах и газонокосилках эти моторы еще применяются, а значит, и на некоторых мотоциклах с такими моторами. (Есть, есть еще энтузиасты в Америке, делающие подобные чопперенки и ретроскутеры как для себя, так и на продажу).

А газодинамики потребовали перенести клапаны в головку цилиндров. Пришлось разрабатывать сложный привод от распредвала к клапанам. Штанги, коромысла, толкатели… Инерция системы, названной OHV (Over Head Valve – клапаны вверху головки, или, иными словами, верхние клапаны), получилась та еще, к тому же потребовала дополнительного подвода масла к головке цилиндра. Но главное – толкающие штанги небольшой, но прогиб имели, а значит, на больших оборотах фазы «плыли». В результате штанги старались делать все короче и короче, а распредвал поднимать все выше и выше, почти к самой головке (такое расположение распредвала иногда называют средним, пример чему нынешние «оппозиты» BMW). И, в конце концов, распредвал поселился в самой головке цилиндров – эту схему назвали OHC (Over Head Cam – распредвал вверху головки, а по-нашему – верхневальная схема).

Впрочем, «в конце концов» – это относится к серийной технике. На гоночных автомобилях и авиамоторах все три схемы появились почти одновременно, еще в первом десятилетии ХХ века. Но если схема SV на массовых (или, по крайней мере, крупносерийных) мотоциклах появилась почти сразу, OHV – годах в 20-х, то верхневальные головки с тех самых 20-х годов были уделом только эксклюзивных гоночных реплик. Массовое же их применение началось лишь в середине прошлого века, и вытеснение верхневальной головки нижневальной шло очень медленно и не завершилось до сих пор.

Почему не завершилось поныне – тут, думаю, все понятно: неподражаемый цокот штангового привода – это вам не невнятный шелест цепи/зубчатого ремня и, тем более, не визг шестеренного привода. (Правда, последнее более чем спорно: одни именуют такие моторы ведрами с гайками, для других нет ничего слаще этой музыки). В принципе, можно понять и технологов, не желавших возиться с натяжителями цепи, а тем более с «гитарой» цилиндрических (или двумя парами конических) шестерен. Но главная причина, заставлявшая промышленников держаться за штанговый привод, несмотря на растущую быстроходность моторов – сами покупатели. Точнее, их механики.

Дело в том, что качество ГСМ и металла той поры было таким, что процедуры очистки камеры сгорания и поршня от нагара и притирки клапанов требовались достаточно часто. А демонтировать-поставить нижневальную «голову» – это открутить-закрутить несколько болтов/гаек. Не то, что верхневальную: тут промахнешься на один зуб при монтаже – и привет мотору. Но с прогрессом в металлургии и нефтепереработке обслуживание стало требоваться все реже, в результате нижний вал ныне встречается только на особо консервативных кастомах, как правило – из соображений звука (о чем я уже упомянул) и компоновки (как ни крути, а вал со звездочкой/шестерней здорово увеличивает высоту мотора, что для круизера принципиально).

ПЯТЫЙ КЛАПАН, ВТОРОЙ ВАЛ
Итак, верхневальные «головы» начали победную поступь. Но, избавившись от одного «посредника» между валом и клапаном – штанг – оставили другого: коромысло. А это – дополнительное сопряжение, инерция опять же. Можно, конечно, разместить клапаны с одной стороны; форма камеры сгорания в этом случае – клиновидная, отлично подходит для моторов с невысокой форсировкой. Для высокооборотных же моторов оптимальна сферическая форма, а значит – коромысла неизбежны. Если…

Если только не поставить два распредвала. Эта разновидность схемы OHC, названная DOHC (D – Double), появилась в то же время, что и одновальная головка, но только в последние лет 30-40 начала получать распространение. В настоящее время ее распространенность настолько высока, что одновальные головки обозначают не OHC, а SOHC (S – Single).

Причин для распространения такой системы три. Одну я назвал: снижение инерционности. Вторая была актуальна на спортивных мотоциклах: возможность настраивать на моторе фазы впуска и выпуска по отдельности. Но главной стало распространение многоклапанных головок.

Зачем они нужны – думаю, всем понятно, что благодаря увеличению числа клапанов можно радикально повысить сечение каналов. Было это известно и в 1910-х годах, когда на треках появился рекордный Indian с четырехклапанной головкой. Правда, приводились клапаны от двух распредвалов, расположенных… внизу: таким образом конструкторы смогли оставить сферическую камеру сгорания. Но европейским моторостроителям уже тогда было известно, что шатровая камера сгорания (то есть не «башенкой», а «домиком») даже лучше с точки зрения интенсивности газообмена, что важно именно на «верхах». В результате в 1914 году на свет появился Peugeot 8 Soupapes («восемь клапанов»), рядная «двойка» которого была устроена по-современному: два вала в «голове», четыре клапана на цилиндр, шатровые камеры сгорания. Увы, серийного воплощения этой схемы пришлось ждать аж 60 лет – только тогда степень форсировки серийных мотоциклетных моторов потребовала многоклапанную «голову».

Следующим шагом должно было стать увеличение числа клапанов. И этот день настал, когда в 1987 году появилась Yamaha FZ750 с пятиклапанными головками. Схема DOHC5 (в последнее время принято включать в обозначение число клапанов на цилиндр) стала весьма распространенной на мотоциклах компании… и только на них. Что тому причина – действие патента, технологическая сложность, большая инерция системы – сказать сложно. Тем более что четырехклапанные головки конкурентов обеспечивают их мотоциклам не меньшую мощность. Да, пятиклапанная схема очень хороша с точки зрения варьирования расположения клапанов, что позволяет как угодно «закрутить» потоки газов. Но это хорошо на «низах» и в «середине». На «верхах» важнее эжекционный эффект, создаваемый газами в конце такта выпуска, а здесь лучше четырехклапанная головка, позволяющая спрямить поток газов.

Если четыре сложно, а два мало – может, лучше три? Так поступают создатели кастомов и неоклассиков. Так же поступали в 50-60-е годы создатели гоночных мотоциклов. Правда, в последнем случае частенько два клапана было не впускных, а выпускных. Нелогично только для сегодняшнего мотоциклиста; в те же времена, когда металлургия была на более низком уровне, так боролись с обгоранием выпускных клапанов. Ведь чем деталь меньше, тем лучше ее теплообмен!

А вот на Kawasaki VN2000 головки четырехклапанные, но валы находятся внизу (схема SOHV4). Да, мотор низкофорсированный, но цилиндры огромные! И чтобы уменьшить «слепые зоны» в камере сгорания, и применили решение, апробированное в других низкооборотных моторах с цилиндрами большого диаметра: авиационных и для магистральных грузовиков. Еще одно решение хорошо знакомо владельцам многих классических «британцев»: DOHV – два нижних распредвала. В 50-60-е годы так убивали сразу трех зайцев, обеспечивая удобство обслуживания, оптимальную компоновку ГРМ при сферической камере сгорания и возможность независимой регулировки фаз при настройке мотоцикла для любительских гонок.

ДЕБРИ ФУТУРИЗМА
Раз уж зашел разговор о нестандартных схемах ГРМ, нельзя обойти вниманием и совершенно экзотические. Самая известная из них – так называемый десмодромный привод клапанов, когда не только открытие, но и их закрытие происходит принудительно, и вместо пружин стоят специальные распредвалы. Появившись на свет Божий в середине прошлого века (а на экспериментальных моторах и того ранее), система обещала неслыханные преимущества в плане роста предельных оборотов.

Действительно, ни «зависание» клапанов, ни поломка пружин (беда тогдашних «крученых» движков) при такой схеме не грозят. Однако такая система требует уж больно высокой точности исполнения, а настраивать ее и вовсе танталовы муки. К тому же металлургия не стояла на месте, и как только обрывы пружин были изжиты, Daimler-Benz и Maserati, обкатывавшие схему на моторах Формулы 1 (а немцы занимались этим еще раньше – в 30-40-е годы – на авиамоторах, но без особого эффекта), забыли о десмоприводе как о кошмарном сне. А Ducati наоборот, не только довела систему до серийной кондиции, но и сделала ее фирменной фишкой, причем настолько фирменной, что на мотоциклах фирмы скорее появится «дельтабокс», чем клапанные пружины.

Технологический натиск в разработках клапанных пружин, вызванный стремительным ростом быстроходности моторов, породил пружины газовые. Баллончики с азотом, впервые появившиеся на автомобилях Формулы 1 лет десять с хвостиком назад, обладают куда меньшей инерцией, чем традиционные проволочные завитки. Одна беда: в малосерийном производстве такие узлы поистине золотые, а массового спроса на них пока не предвидится.
Наконец, последняя идея, еще недавно казавшаяся бредовой: выкинуть к чертовой бабушке весь привод, все эти валы-толкатели-пружины, и заменить их… электромагнитами, управляемыми борткомпьютером. Такая система пока находится в стадии экспериментов; ходят слухи, что активнее всего работает в этом направлении… ну да, главный мастер эпатажа от ГРМ, Ducati.

А преимущества новая идея сулит огромные, ведь таким образом резко снижается инерция мотора, а главное – всем будет заведовать исключительно электронный мозг. В зависимости от внесенных в него настроек-установок он сможет плавно и в широких пределах варьировать и величину фазы, и ее начало, и даже – ограничением подъема клапанов – пропускное сечение каналов. Зачем это нужно? О, это отдельный разговор.

материал из журнала "Моторевю"
текст: .Stinger, Владимир Завьялов