"Эксклюзив" моторостроения - новый двигатель для БМВ-МЗ с системой "Double VANOS" (нижнее фото), инд ивидуальными для каж ­ д ого цилиндра дроссельными заслонками и настроенной выпускной системой. 3201 смз , 321 л.с/236 кВт при 7400 об / м ин , 350 Н-м при 3250 об / м ин , к рутя ­ щий моментвдиапазоне 1900-7100 об/мин - около 90% максимального.V,Ничего иного не остается: реальной альтернативы старому доброму поршневому двигателю внутреннего сгорания для автомобиля пока не видно. Запасы нефти на Земле истощаются, "зеленые" обвиняют ДВС во всех бедах, а привередливый потребитель требует от старого агрегата новых качеств. На какие только хитрости не идут инженеры, чтобы современные моторы удовлетворили и "наших, и ваших". Техника развивается настолько быстро, что смелые новинки десятилетней давности сегодня уже норма.БУДЕМ ШЕВЕЛИТЬ ПОРШНЯМИ!34 ЗРЛМ 3/96 А УЕПопытки выдать распределенный впрыск и четырехклапанные головки цилиндров за последние достижения могут иметь успех лишь в тех странах, чья автомобильная промышленность не претендует на мировое лидерство. В последние годы внимание к двигателю резко возросло. Он стал обрастать множеством систем, функции которых неискушенному человеку зачастую непонятны. Попытаемся разобраться в принципах работы некоторых новинок. Начнем с простого - что нужно, чтобы двигатель заработал? Смешать воздух и топливо в определенной, оптимальной пропорции и сжечь полученную смесь в цилиндрах с максимальной эффективностью. Каким путем воздух попадает в ци- линдры? Привычный нам вариант "воздушный фильтр - карбюратор - впускной коллектор" сразу отбросим: большинство двигателей ныне оборудовано системой распределенного впрыска топлива. Ее внешний признак - впускные трубопроводы одинаковой длины для всех цилиндров. Чтобы вписаться в моторный отсек, им часто придают сложную форму. Дело в том, что, подобрав геометрию впускного тракта, можно значительно улучшить наполнение цилиндров, используя "гуляющие" взадвперед по впускным трубопроводам волны разрежения-сжатия воздуха. Эти волны как бы заталкивают смесь внутрь цилиндров, если длина коллектора оптимальна. Влияет на работу двигателя и объем ресивера - специальной камеры в начале впускного коллектора. Иногда его роль выполняет корпус воздушного фильтра. Желательно, чтобы каждому режиму работы двигателя соответствовала своя длина трубопровода, но в сегодняшнем массовом производстве это неосуществимо. Поэтому конструкторы предлагают воздуху два пути - короткий и длинный. Первый для работы двигателя на высоких оборотах, второй - на низких. Поток воздуха направляют заслонки с сервоприводом. Подобная система есть, например, в новейших моторах ЕСОТЕС фирмы "Опель". Она организует воздушный поток либо как в двух трехцилиндровых двигателях, либо как в шестицилиндровом и управляет резонансными волнами в коллекторе (фото на с. 36). Улучшить наполнение цилиндров призваны и агрегаты наддува - турбои приводные компрессоры. Наиболее существенный недостаток турбокомпрессоров - невысокая эффективность при малых оборотах двигателя и большая инерционность: отклик двигателя на педаль акселератора запаздывает. Приводные компрессоры типа "Руте" реагируют без запаздывания, но затрачивают мощность двигателя (турбокомпрессор использует энергию выхлопных газов), малоэффективны на низких оборотах, создают лишь небольшое избыточное давление 0,03-0,05 МПа и работают со специфическим шумом. В попытках избавиться от недостатков турбонаддува применяют разнообразные системы управления давлением наддува. Дальше других пошла фирма "Ауди", установив на автомобиле "А4 1,9TDI" турбокомпрессор с изменяемой геометрией соплового аппарата турбины. Результат - плюс 20 сил мощности, крутящий момент 23 Н-м, а среднее значение расхода (90+120+ГЦ/З) меньше на 0,2 л/100 км, чем у мотора с прежним турбокомпрессором. Сам автомобиль теперь достигает 100 км/ч на 2с быстрее, а макси-Впускной коллектор рядного шестицилиндрового двигателя БМВ изготовлен из пластмассы. Все его трубопроводы одинаковой длины. Слева видны отверстия для форсунок.Выпускной коллектор вчера: чугун (снизу), сегодня - нержавеющая сталь. Идет борьба за снижение массы.мальная скорость возросла на 13 км/ч. Приводные компрессоры - новинка из разряда "хорошо забытое старое", но только в Европе. Американцы все-гда питали слабость к роторно-шестеренчатым компрессорам типа "Руте". Например, именно такой устанавливают на "Понтиак-Бонневиль-SSEi". А для любителей сверхмощных самодельных автомобилей, которых за океаном немало, "Руте" - вообще любимая забава. В Европе приводные компрессоры (спиральные нагнетатели) серийно устана-"Рутс" вернулся. Компоновка двигателя "Мерседес-С230-Компрессор": нагнетатель, промежуточный охладитель воздуха, воздушный фильтр. 2295 см3, 193 л. с/142 кВт при 5300 об/мин, 280 Н-м при 2500 об/мин, 90% крутящего момента - при 1800-5300 об/мин. ЗА РУЛЕМ 3/96 35 Наиболее массовый шестицилиндровый двигатель БМВ - с двумя верхними распредвалами и механизмом VANOS (указан стрелкой). 2793 см3,193 л. с/142 кВт при 5300 об/мин, 280 Н-м при 3950 об/мин. В диапазоне 2200-5400 об/мин крутящий момент - около 90% максимального.Шр. Им 350300вливали на автомобили "Фольксваген" в 80-е годы. Теперь решил тряхнуть стариной "Мерседес", чьи знаменитые спортивные и гоночные автомобили довоенных лет были с приводным нагнетателем. На четырехцилиндровый "С230-Компрессор" снова установили "Руте" - конечно, в современном исполнении. Благодаря ему удалось достичь лучшего распределения крутящего момента по оборотам и снизить средний расход топлива на 20% по сравнению с шестицилиндровым "атмосферным" мотором такой же мощности, рабочий объем которого больше на 0,5 л. Кстати, включается компрессор (правильнее говорить "объемный нагнетатель") через муфту при достижении оборотов, на которых его эффективность становится достаточно высокой. Воздух в цилиндры подан. Что касается бензина, во всех нынешних системах его впрыскивают во впускной коллектор. В последнее время много разговоров о непосредственном впрыске бензина в цилиндр. Ближе всех к реализации этой идеи подошли японские фирмы, в частности "Мицубиси". В ее опытном двигателе бензин впрыскивают под высоким давлением (5 МПа), поэтому501. Двигатель рабочий объем Nh - 2494 см 3 , два клапана на цилиндр максимальный крутящий момент Мкр = 222 Н-м при 4300 об/мин. Мощность N = 170 л. с/125 кВт при 5800 об/мин. 2. Двигатель(/|, =2494 см 3 , четыре клапана на цилиндр: МКп = 245 Н-м при 4700 об/мин. N = 192 л. с/141 кВт при 5900 об/мин. 3. Двигатель Vh = 2494 см3, VANOS, четыре клапана на цилиндр: Мк« = 250 Н-м при 4200 об/мин. • N = 192 л. с/141 кВт при 5900 об/мин. 4. Двигатель V„ = 2793 см3, VANOS, 4 клапана на цилиндр: Мц. • 280 Н-м при 3950 об/мин, N = 193 л. с/142 кВт при 5300 об/мин. 5. Двигатель Vh = 3201 см 3 , Double VANOS, 4 клапана на цилиндр: М кр = 350 Н-м при 3250 об/мин, N = 321 л. с/236 кВт при 7400 об/мин. 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 п, об/минДвигатель "Опель-ЕСОТЕС" (фото слева). V-образная "шестёрка": 2498 см3, 170 л. с/125 кВт при 5800 об/мин, 230 Н-м при 3200 об/мин, 90% крутящего момента при 2000-5800 об/мин. Срабатывая на разных режимах, заслонки обеспечивают резонансный наддув в требуемом диапазоне оборотов, улучшая характеристику крутящего момента.Эволюция шестицилиндровых моторов БМВ: 1 - двухклапанный двигатель объемом 2,5 л; 2 - применение четырехклапанной системы газораспределения позволило увеличить крутящий момент, особенно в зоне высоких оборотов; 3 - тот же агрегат с системой VANOS: максимум момента сместился в зону более низких оборотов; 4 - новый двигатель получил дополнительно 300 см 3 рабочего объема и 14% прибавки максимального крутящего момента; 5 - образец для сравнения: характеристика мотора БМВ-МЗ с системой Double VANOS - рекордно высокий (109 Н-м/л) крутящий момент почти не изменяется в широком диапазоне оборотов. 36 ЗА РУЛЕМ 3/96 В пятиклапанной головке двигателя "Ауди" - механизм регулирования фаз впускных клапанов, конструктивно схожий с VANOS (вид сзади). Характеристики двигателя объемом 2771 см 3 :193 л. с/1542 кВт при 6000 об/мин, 280 Н-м при 3200 об/мин, 90% -2200-5300 об/мин.ного вала, управляющего впуском, и применяется на шестицилиндровых бензиновых двигателях с 1993 года. На модели МЗ установлен механизм, получивший название "Double VANOS", который изменяет положение обоих валов. Такая система значительно дороже и требует дополнительного обслуживания, зато результаты впечатляют. Крутящий момент мотора БМВ-МЗ близок к максимальному в диапазоне отДизель непосредственного впрыска для "Ауди-А4-1,9Т01" и его турбокомпрессор с изменяемой геометрией соплового аппарата турбины, 1896 см3 , 110 л. с/81 кВт при 4150 об/мин, 225 Н-м от 1700 до 3000 об/мин. Лучший на сегодня по соотношению "мощность/экономичность" серийный дизель для легкового автомобиля.конструкция и процесс коренным образом отличаются от привычного впрыска в коллектор, где давление на порядок ниже. Система питания у бензинового мотора непосредственного впрыска схожа с применяемой на дизелях: подача бензина - топливным насосом высокого давления (ТНВД), да и конструкция форсунок похожа. Что же дал непосредственный впрыск? Он позволил совместить, казалось бы, несовместимое: двигатель стал значительно мощнее, экономичнее, резко снизилось количество окислов азота углерода и сажи в выхлопных газах. Новый мотор работает на сверхбедной смеси (соотношение воздуха и топлива 1:30-1:40) при степени сжатия 12, но для достижения максимальной мощности предусмотрен специальный режим, на котором смесь обогащают до 1:13-1:24 и топливо впрыскивают в такте всасывания, а не в конце такта сжатия, как обычно. Специалисты "Мицубиси" считают, что за подобными двигателями будущее, и планируют вскоре оснастить таким агрегатом серийный автомобиль. Механизм газораспределения не дает спокойно спать конструкторам. Известно, что, изменив фазы, можно, повысить характеристики двигателя, но в узком диапазоне оборотов и за счет их снижения на других режимах. Создать профиль кулачков распределительного вала, который обеспечивал бы высокие характеристики мощности, момента и экономичности на всех режимах, невозможно. Поэтому фазы газораспределения серийного двигателя - всегда компромисс между множеством показателей, определяющих работу мотора. Идеальный вариант - изменяемые фазы. К созданию такой системы стимулирова-SUfNfc SwDHmtw IMSло широкое внедрение многоклапанных головок цилиндров. Многоклапанные двигатели первого поколения отличались высокими удельной мощностью и крутящим моментом, но на оборотах, близких к максимальным. Этот недостаток терпим у гоночного автомобиля, для которого режим "педаль в пол" - нормальный, но для городского автомобиля, вседорожника или машины с автоматической коробкой передач характеристики ранних "многоклапанников" вряд ли оптимальны. Второе поколение многоклапанных моторов уже получило системы, позволяющие плавно изменять фазы газораспределения. Это дало возможность сделать характеристику крутящего момента более плавной и сдвинуть его максимум в зону более низких оборотов. Теперь водитель может реже переключать передачу, чтобы совершить маневр, - мотор вытянет. Как практически реализован механизм изменения фаз? На первый взгляд, очень просто - сервопривод через специальную передачу изменяет угловое положение распределительного вала. Такой механизм применим на тех двигателях, где впускными и выпускными клапанами управляют разные распределительные валы. БМВ сегодня предлагает два варианта этой системы (фирменное наименование VANOS). Более простой изменяет только угловое положение распределитель3000 до 6000 об/мин коленчатого вала. Свой путь избрала японская фирма "Хонда". На ее двигателях, оснащенных системой VTEC, распредвал снабжен "лишними" кулачками. Клапанами управляют кулачки с разным профилем, позволяя изменять в зависимости от режима работы не только фазы, но и высоту подъема клапана. Результаты 160 л. с/117 кВт и 150 Н-м крутящего момента для двигателя объемом 1595 см 3 - внушают уважение. Процессов в цилиндре мы касаться не будем - это тема отдельного серьезного разговора. Считаем, что смесь сгорела, и проследим путь отработавших газов. На некоторых моделях они, вырвавшись из цилиндра, держат путь по хитро изогнутым трубам выпускного коллектора, сделанным, между прочим, из полированной нержавеющей стали. Дело в том, что выпускные трубопроводы так же, как и впускные, желательно иметь одинаковой длины для каждого цилиндра. Тогда удается настроить выпускную систему так, что волны разрежения-сжатия будут улучЗ РЛМ 39 АУЕ /6 37 Опытный двигатель "Мицубиси" с непосредственным впрыском бензина. Есть ли у него будущее, станет ясно в ближайшие годы.шать очистку цилиндров от продуктов сгорания. Нержавеющая сталь, кроме привлекательного вида, легче чугуна и вместе с тем жаропрочна. На машинах попроще выпускной коллектор традиционной формы, но часто между двумя тонкими слоями нержавейки лежит теплоизолирующий материал, который не дает наружному слою раскаляться докрасна, сберегая тепло для ускоренного прогрева каталитического нейтрализатора. Иногда выходящие газы заставляют поработать - вращать колесо турбины. На дизеле с турбонаддувом "Ауди-1,9TDI" каталитический нейтрализатор привернут фланцем к турбине, поэтому начинает делать свое "зеленое" дело почти сразу после того, как двигатель заработал остыть выхлопным газам некогда. Кстати о дизелях, здесь за последние годы свершилась маленькая революция. Один за другим стали появляться легковые дизельные моторы с неразделенной камерой сгорания - в них топливо подается непосредственно в цилиндр. Отсюда название - "дизель с непосредственным впрыском" (встречающийся термин "прямой впрыск" позволим себе считать не вполне корректным). Такие моторы сегодня - на серийных машинах "Фольксваген", "Ауди", "Мерседес", "Тойота", "Ровер" и "Вольво". Что же заставило отказаться от привычных, хорошо отработанных конструкций с предкамерами или вихрекамерами? Как известно, основное преимущество дизеля экономичность, а в этом предкамерные заметно уступали моторам с непосредственным впрыском. Однако последние страдали неустойчивостью ра38 ЗРЛМ 39 АУЕ /6У "Хонды" оригинальная система управления не только фазами, но и подъемом клапанов (на высоких оборотах рокеры смыкаются и вступает в работу средний кулачок). А еще регулируемый впускной коллектор. Характерно отсутствие гидрокомпенсаторов - при 8000 об/мин они бесполезны.онные материалы и методы расчета все-таки позволили создать работоспособный высокооборотный дизель с непосредственным впрыском. Повторим: основное достоинство таких моторов - лучшая экономичность. У "Фольксвагена-Гольф" в 1996 году - четыре варианта дизельных двигателей: предкамерный ис непосредственным впрыском, каждый из них - с турбонагнетателем и без. "Гольф" с предкамерным дизелем расходует в среднем 5,6 л на "сотню", в то время как с дизелем непосредственного впрыска равного объема и мощности - 4,9 л. Динамические характеристики автомобилей почти одинаковы. Турбодизельные машины заметно резвее, причем мотор с непосредственным впрыском на 26 л. с. мощнее, но расходует столько же топлива, сколько и безнаддувный. Предкамерный дизель с наддувом отстает от своего "непосредственного" собрата по всем параметрам, зато машина с ним на 2030 марок дешевле. Как будет развиваться двигателестроение в ближайшем будущем? У бензиновых моторов впускные коллекторы переменной длины, и изменяемые фазы газораспределения наверняка перекочуют с дорогих моделей на более простые и дешевые, как это случилось с многоклапанными головками цилиндров. Клапанов становится больше - "Ауди", посчитав, что четырех на цилиндр маловато, серийно выпускает уже три пятиклапанных двигателя. Перспективы непосредственного впрыска бензина пока туманны, но заявленные высокие характеристики таких моторов позволяют надеяться, что работа над ними будет продолжаться. С дизелями немного проще, поскольку путь их развития наметился четко непосредственный впрыск, турбонаддув с промежуточным охлаждением воздуха и многоклапанные головки. Пример уже есть: серийный шестицилиндровый дизель "Тойоты-Лендкрюй3ep-HDJ80" объемом 4164 см 3 . В ближайшее время появятся и меньшие по объему моторы такой конструкции. В этом обзоре затронута лишь надводная часть айсберга - системы, которые на виду и значительно улучшают параметры двигателя. Идет постоянная, невидимая на первый взгляд работа над усовершенствованием рабочего процесса, конструкции, технологии, которая позволяет создавать силовые агрегаты с невероятными еще пару лет назад показателями. Игорь ТВЕРДУНОВ, Анатолий ФОМИНботы на переходных режимах и совсем не любили крутиться, поскольку у них более тяжелый кривошипно-шатунный механизм. Поршень дизеля с непосредственным впрыском больше по высоте и массе: ведь в верхней его части достаточно глубокая камера сгорания. Кроме того, работа таких моторов всегда была более "жесткой", а шум и вибрации легковому автомобилю противопоказаны. Применение электронных регуляторов, двухфазного впрыска, современные конструкци-