Как увеличивают мощность современных двигателей
20.07.2008: Дышите глубже;Повысить отдачу мотора можно не только традиционными методами, такими как увеличение рабочего объема или повышение степени сжатия. Для современных двигателей эти способы далеко не всегда эффективны. Поэтому многие автопроизводители стараются увеличить мощность моторов с помощью различных систем, улучшающих наполнение цилиндров горючей смесью и очистку их от выхлопных газов.
Меняем фазы
С увеличением напряжения в бортовой сети автомобили скорее всего получат электромагнитный привод клапанов мотора.
КАМЕРА сгорания отделяется от впускного и выпускного коллекторов клапанами газораспределительного механизма (ГРМ). Они открываются в строго определенные промежутки времени, называемые фазами газораспределения. Их выбор – это всегда компромисс. Дело в том, что при высоких оборотах коленвала для хорошего наполнения цилиндров и последующей их очистки надо открывать клапана на достаточно большой промежуток времени. На малых оборотах, наоборот, так делать нельзя. Время открытия клапанов в этом случае должно быть значительно меньше. Иначе часть рабочей смеси будет частично вылетать из цилиндров обратно в коллекторы, и двигатель станет работать неустойчиво (этот эффект можно наблюдать у гоночных моторов на холостом ходу). Поэтому газораспределительные механизмы стандартных двигателей всегда настроены на некий усредненный режим.
Чтобы полнее использовать возможности моторов, с начала 90-х годов прошлого века многие автопроизводители стали применять системы изменения фаз газораспределения. Компания FIAT впервые запатентовала такое устройство еще в 60-х годах, а в 1980 году “Alfa Romeo Spider” уже оборудовалась им серийно.
Наиболее простые системы изменения фаз газораспределения обычно выполняются двухступенчатыми, то есть при определенных оборотах двигателя электроника с помощью специального устройства просто переключает ГРМ на другой режим работы.
К примеру, по такому принципу работает знаменитая хондовская система VTEC (“Variable Valve Timing and Lift Electronic Control”), которая впервые появилась в 1989 году на моделях “Integra” и “Civic”. Устроена она достаточно просто. Каждый клапан может открываться одним из двух кулачков распредвала, причем они толкают клапан через специальные коромысла. Пока работают кулачки, предназначенные для небольших оборотов, вторые крутятся вхолостую. По команде блока управления гидравлика соединяет между собой коромысла обоих кулачков, и ГРМ переходит на “мощностной” режим работы.
В принципе подобная схема позволяет сочетать в одном двигателе хорошую тяговитость на “низах” и высокую мощность на высоких оборотах. Но все же ей недостает гибкости, и вдобавок момент переключения с одного режима на другой отчетливо чувствуется водителем. Многим такой характер кажется излишне резким, но некоторым автолюбителям он пришелся по душе. Они сравнивают “подхват” при срабатывании системы с работой турбонаддува.
Тем не менее со временем большую популярность завоевали бесступенчатые системы изменения фаз газораспределения. Каждая фирма именует их по-своему. Например, “Honda” выбрала название i-VTEC, BMW – “DoubleVANOS”, “Ford” – VCT, “General Motors” – DCVCP, “Hyundai” – CVVT, “Lexus” – VVT-iE, “Mitsubishi” – MIVEC, “Porsche” – “VarioCam Plus”, “Toyota” – VVTL-i.. Но в любом случае все эти системы делают характер мотора более ровным во всем диапазоне оборотов коленвала.
Как правило, в таких устройствах распределительный вал соединяется с приводным шкивом через специальную втулку. Под действием давления масла (его подачей управляет электроника) она может перемещаться вдоль вала, с помощью спиральных зубьев поворачивая его относительно шкива (а значит, и коленвала). Также вместо втулки может использоваться встроенный в шестерню привода распредвала миниатюрный гидромотор. Из-за компактных размеров и более точной работы такая схема все чаще встречается на современных двигателях.
Отдельно стоит упомянуть систему “Valvetronic”, которую с 2001 года использует компания BMW. В этом случае распределительный вал взаимодействует с клапаном через специальный рычаг. Электроника с помощью электродвигателя может изменять положение этого промежуточного звена и, как следствие, величину открытия клапана. “Valvetronic” настолько точно дозирует подачу горючей смеси в цилиндры, что позволяет практически отказаться от использования дроссельной заслонки (она прикрывается только при запуске двигателя и большую часть времени полностью открыта), и тем самым значительно снизить сопротивление воздушному потоку во впускном тракте.
Однако лучшей эффективностью обладают экспериментальные системы с электромагнитным приводом клапанов. Такие схемы позволяют отказаться от распределительных валов и других деталей ГРМ, тем самым значительно упростив двигатель и снизив его массу. В подобных конструкциях электроника может управлять каждым клапаном индивидуально, постоянно подбирая оптимальный (для данных условий) режим работы двигателя. Однако на серийных автомобилях такие устройства скорее всего не появятся до тех пор, пока не увеличится бортовое напряжение. Поскольку традиционная 12-вольтовая система не может обеспечить энергией мощные электромагниты привода клапанов.
Короткий и длинный
Так выглядит газораспределительный механизм двигателя BMW, оснащенного системами “DoubleVANOS” и “Valvetronic”.
ПОМИМО систем изменения фаз газораспределения на современных двигателях также нередко используются впускные тракты переменной длины. Они позволяют изменять способ подачи воздуха в цилиндры в зависимости от режима работы мотора.
Например, если обороты коленвала небольшие и автомобиль движется равномерно, то электроника с помощью специальной заслонки открывает во впускном коллекторе длинный извилистый путь, похожий на спираль. В этом случае воздушный поток сильно закручивается, и при попадании в цилиндры такой вихрь хорошо смешивается с топливом. В результате образуется равномерная по составу рабочая смесь. Она сгорает полностью, поэтому двигатель работает очень эффективно и экономично.
Но когда нагрузка на мотор увеличивается (к примеру, при интенсивном разгоне), длинный впускной коллектор создает большое сопротивление воздушному потоку. Поэтому электроника в таких случаях переводит заслонку во второе положение, открывая воздуху короткий и прямой путь к цилиндрам. Это позволяет наполнить их максимальным количеством горючей смеси и получить от двигателя наибольшую мощность.
На некоторых моторах (в частности, на V-образных “восьмерках” компании BMW) впускной трубопровод устроен еще интереснее. Он выполнен в виде улитки, внутренняя часть которой может поворачиваться относительно внешнего неподвижного корпуса и тем самым плавно и бесступенчато изменять длину впускного тракта. Подобная система сложнее и дороже, зато позволяет получить оптимальные характеристики двигателя при любой частоте вращения коленвала.
Но помимо хорошего наполнения цилиндров горючей смесью не менее важную роль играет и эффективность их очистки от отработавших газов. Дело в том, что в первый момент после открытия выпускных клапанов начинающие вырываться в коллектор первые выхлопные газы создают перед собой движущуюся со сверхзвуковой скоростью волну давления. Она отражается от стенок выпускного тракта и препятствует дальнейшему выходу отработавших газов из цилиндра. В этом случае выхлопные газы удаляются исключительно за счет выталкивающего действия поршня. В результате эффективность очистки камер сгорания падает, равно как и мощность мотора.
Однако двигателистам удалось превратить недостаток в достоинство. Путем тщательного подбора длины и геометрии выпускных патрубков каждого цилиндра можно добиться, чтобы при открытии клапанов за ними образовывалось разрежение. Оно не препятствует, а, наоборот, помогает отработавшим газам быстро и полностью покинуть цилиндр. Именно ради этого эффекта система выпуска современных автомобилей порой имеет весьма замысловатую конфигурацию и иногда похожа на клубок свернувшихся змей.
