Прототип ‘Hi-Tech"-двигателя на базе двигателя Biturbo представленный Мазерати 14 декабря 1985 года.
6-цилиндровый, 36-клапанный, четырехраспредвальный, двух-турбиный и с множеством технологических ноу-хау «Hi-Tech» двигатель Maserati имел:
— Улучшенный смешивающий эффект для максимальной эффективности сгорания топлива;
— Камера сгорания двойной выпуклости;
— Низкая температура камеры сгорания, благодаря более эффективному теплосъёму охлаждающей жидкостью;
— Свеча в центре камеры сгорания для улучшения эффективности сгорания;
— Большая мощность 261 лс при 7200 об/мин при низком давлении наддува – 0,8 бар;
— Высокая эффективность использования топлива – меньший удельный расход;
— Простота настройки зазоров клапанов благодаря запатентованной Мазерати схеме;
— Центральные клапаны под другим углом относительно крайних в группе, что даёт дополнительный эффект турбулентности для лучшего смешивания топлива с воздухом;
— Двойной турбонаддув с водяным охлаждением;
— Четыре верхних распредвала приводимых зубчатым ремнем;
— Снижение инерции клапанов благодаря их малому размеру;
— Электронное управление подачи топлива.
Но, прежде всего — это истинное удовольствие от вождения автомобиля, который сочетает в себе престиж славных традиций спортивных технологий с авангардом.
Рекламная литература заявляла:
«Захватывающие новости от Мазерати – новый Twin Turbo V6 двигатель с четырьмя верхними распредвалами и шестью клапанами на цилиндр. Этот двигатель объёмом 2 литра развивает 261 л.с. при 7200 об/мин будет установлен на новый двухместный Мазерати в 1986 году. 130 л.с. с одного литра объёма двигателя – это значительное достижение для стандартного серийного блока цилиндров.»
Почему 6 клапанов?
На протяжении всей истории создания ДВС поиск максимальной производительности имел целый ряд разных направлений. Для увеличения производительности двигателя топливовоздушная смесь, поступающая в камеру сгорания, должна быть преобразована в механическую энергию. Топливовоздушная смесь всегда состоит из микроскопических капель топлива и воздуха.
Опыт показал, что в случае изменения направления потока воздуха (как в цилиндрических окнах у обычных двигателей с одним впускным клапаном) топливовоздушная смесь будет иметь тенденцию быть неравномерной, что приводит плохому распределению пламени при сгорании, снижении производительности двигателя и увеличенному расходу топлива, в результате чего увеличиваются вредные выбросы в атмосферу несгоревших частиц топлива. Двигатели с двумя впускными клапанами на цилиндр также имеют некоторые проблемы, вызванные медленным прохождением газов во впускной фазе, что ухудшает качество наполнения цилиндра смесью.
Эти и другие соображения на протяжении многих лет привели к увеличению числа клапанов с целью увеличения наполняемости цилиндров, тем самым увеличивая площадь циркуляции воздуха и потери давления вокруг клапанов. Если количество клапанов увеличить, то потоки смеси будут сталкиваться, ывеличивая турбулентность и тем самым приводя к более однородной смеси.
Далее важно обеспечить эффективное удаление отработавших газов на этапе выхлопа с наименьшими затратами энергии на удаление газов. Неудаленные газы ухудшают мощностные характеристики двигателя. Преимущества двигателя с более чем двумя выпускными клапанами на цилиндр – это более качественное и легкое удаление отработавших газов и тем самым увеличение эффективной мощности двигателя.
Таким образом увеличение числа клапанов приносит много преимуществ.
Тем не менее, опыт и история показывают, что предел с четырьмя клапанами на цилиндр почти не был превзойден. Причина тому – технические трудности реализации и увеличение сложности конструкции, что ведет к более высоким затратам при производстве. Всё это остановило прогресс в этом направлении.
После многих лет исследований Мазерати усовершенствовали двигатель спортивного автомобиля с шестью клапанами на цилиндр (3 впускных и 3 выпускных). Разработчики смогли избежать все трудности реализации конструкции.
Мазерати запотентовала конструкцию с двумя распредвалами, которую назвали «finger control» (пальцевое управление), в которой нагрузка равномерно распределялась по клапанам – каждый привод управления на 3 клапана. Регулировка зазора клапанов проста – это тип винт-гайка, которая не требует особого внимания при обслуживании, без необходимости проведения сложной дорогостоящей работы по регулировке клапанов.
И как следствие наличия деталей с малым весом металл не подвергается какому-либо сильному напряжению при больших оборотах двигателя, что обеспечивало максимальную производительность двухлитрового двигателя.
Центральные клапаны (впускных и выпускных групп) установлены под другими углами относительно крайних клапанов. В то время как крайние клапаны наклонены на 11,25 (впуск) и 10,5 (выпуск) градусов центральные клапаны наклонены на 3 (впуск) и 2,5(выпуск) градусов от плоскости разъема головки ГБЦ. Это разница в углах порождает турбулентность в камере сгорания в момент, когда смесь поступает в цилиндр. Это дает эффект более равномерного распределения топливовоздушной смеи по камере сгорания, что даёт двигателю работать с близкой к оптимальной стехиометрической смесью (стехиометрическое горение является идеальным процессом, когда топливо сжигается полностью), что обеспечивает потребление топлива не более 200 г/л.с./час. Последний и самый очевидный результат показал максимальную мощность двухлитрового двигателя 261 л.с! И это при 7200 оборотов в минуту при относительно небольшом наддуве — всего 0,8 бар. Сами турбонаддувы были с водяным охлаждением, что гарантировало полную надежность и беспрецедентную прочность.
…Мазерати решила пойти на более традиционный вариант с четырьмя клапанами на цилиндр и хотя это был самый разумный и правильный выбор, но революционный двигатель с шестью клапанами было бы приятно видеть в производстве.
Тем не менее, данный двигатель послужил базой для 24 клапанного четырехраспредвального двигателя, которые устанавливались на Maserati после 88 года.
Еще недавно многоклапанные двигатели ставили только на гоночные автомобили, а сегодня существует не меньше сотни коммерческих моделей и модификаций, где использовано такое техническое решение. Что это, дань моде, очередной ход в конкурентной борьбе или действительно полезное усовершенствование? Об этом рассказывает инженер А. ФОМИН.
Когда нижнеклапанные двигатели ушли в прошлое, клапаны перекочевали наверх в головку блока, и с тех пор их расположение не менялось. Чтобы избежать длинных толкателей, которые ограничивали возможность форсирования двигателя по оборотам (такая конструкция — инерционная и нежесткая), распределительный вал перенесли в головку блока, чем и закончилась трансформация. Потом росли только степень сжатия и обороты. Но если «оборотистый» двигатель и годится для гонок (правда, не для всех), то для повседневной эксплуатации он не подходит: высоки требования к материалам, из которых сделаны детали, топливу и маслам, велики токсичность выхлопа и эксплуатационные расходы. Пришлось искать другие пути.
Площадь четырех вписанных кругов больше, чем двух; соответственно больше проходное сечение каналов, которые прикрыты клапанами.
Идею двигателя с четырьмя клапанами на цилиндр не назовешь особо оригинальной или новаторской, но нельзя отрицать и то, что это достаточно простой способ улучшить наполнение цилиндра горючей смесью и удаление отработавших газов из него. Нарисуйте окружность и впишите в нее две другие максимально возможного диаметра, а затем попробуйте изобразить то же, но уже с четырьмя. Большая окружность обозначает цилиндр, а малые — каналы, закрытые клапанами. Невооруженным глазом видно, в каком случае площадь, занимаемая вписанными кругами, больше и, следовательно, больше проходное сечение впускного и выпускного каналов в головке двигателя.
Четыре клапана «спустились» с высот формулы 1 сначала на другие гоночные, затем на более простые спортивные автомобили, а сейчас они бодро «шествуют» от дорогих машин в средний класс и дальше, к любимым нами малым и дешевым (этот этап начался буквально год-два назад).
Кстати, двигателю с четырьмя клапанами на цилиндр вовсе не обязательно иметь два распределительных вала в головке, как думают иногда автолюбители. Есть моторы, в которых клапаны приводит один вал, например у «Мазды-121». Эта японская двухдверная машина (на фото) по размерам — аналог нашей «Таврии» (длина соответственно 3810 и 3708 мм), а по рабочему объему двигателя близка «восьмеркам» и «девяткам». У «Мазды» два варианта двигателя рабочим объемом 1324 см и мощностью 53 и 72 л.с., а до «сотни» она разгоняется за 13,7 и 11,4 с соответственно (ВАЗ-2108: 1,3 л, 65 л.с., 16 с). Конечно, хорошие характеристики — показатель технического совершенства всей машины, и мотор с четырьмя клапанами сыграл здесь не последнюю роль. «Мазда-121» — самая маленькая из поставляемых в Европу модель этой фирмы. Чтобы двигатель был дешевле, применен только один распределительный вал, нет распространенных сегодня гидравлических толкателей — в процессе эксплуатации зазоры придется регулировать. Цена машины в Германии около 19 тысяч марок.
Схема механизма газораспределения двигателя «Мазды-121»: зеленым цветом выделен распредвал, коричневым — клапаны с пружинами и фиксирующими деталями. Интересно, что рычаги распредвала выполнены из легкого сплава (показаны желтым цветом) и снабжены стальными роликами (красные). Читатели легко найдут винты для регулировки зазора с контргайками и свечу зажигания (эти детали — белые).
Другая японская четырехклапанная машина, «Мицубиси-Галант» принадлежит к среднему классу (как наша «Волга») и стоит 37 тысяч марок (как самый дешевый «Мерседес»). В автомобилях такого класса простота и дешевизна — не главное; комфорт, техническое совершенство и снижение трудоемкости обслуживания гораздо важнее. На рисунке хорошо видны два распределительных вала, гидрокомпенсаторы клапанных зазоров. Заметим, что схема с двумя распредвалами применяется в четырехклапанных двигателях чаще. «Мицубиси-Галант» предлагают с двигателем рабочим объемом 2 литра в двух вариантах — с двумя и четырьмя клапанами на цилиндр (см. таблицу).
Вторая модификация — явно спортивного характера: заметно меньше время разгона, почти на две секунды, и расход топлива вполне приемлемый для такого мощного мотора.
Есть двигатели и с тремя клапанами на цилиндр: несколько таких моделей использует, например, «Тойота» на автомобилях «Старлет» и «Королла». В этом случае два клапана впускные, а один — выпускной. Это обусловлено тем, что для впуска требуется большее сечение: рабочая смесь хуже проходит по узким каналам, чем выхлопные газы.
Таковы дела на Востоке, но и на Западе не дремлют. Когда фирма «Опель» добавила к модификациям своей «Вектры» «модную» полноприводную, то едва не оступилась. Инертная трансмиссия, возросший вес машины почти свели на нет ее достоинства по сравнению с переднеприводной. Спасти положение помогла новая головка с четырьмя клапанами на цилиндр. Прибавилась мощность, динамика и скорость выросли под стать полноприводным амбициям (см. таблицу). Пожалуй, это пример настоящей конструкторской удачи, в чем убеждает сравнение «Вектры» и «Галанта», благо, по объему двигателей и габаритам они почти равны. Полноприводной машине по всем законам положено «есть» процентов на десять больше, но «Вектра» со всеми ведущими на поверку оказалась экономичнее переднеприводного «Галанта», что говорит само за себя.
Неумеренно популярный в нашей стране «Вольво-940GL» тоже имеет модификацию с многоклапанной головкой — 940GLT-16V, которая встречается намного реже. Резонно: нужда в лишних «лошадях» невелика, а платить за них мало желающих. Не прельщает и улучшенная динамика при умеренном росте расхода топлива (см. таблицу).
Внешне непохожие друг на друга, «Пежо-605» и «Ситроен-XM» по двигателям полностью идентичны: у обоих они V-образные шестицилиндровые, двух- и четырехклапанные. (Это варианты так называемого евромотора, разработанного и выпускаемого совместно еще с 70-х годов фирмами «Рено», «Пежо» и «Вольво» для своих престижных моделей.) «Пежо-605» — самая большая у этой фирмы, одна из самых солидных во Франции — должна представлять свою страну в крайне трудном для конкуренции «верхнем среднем» (по принятому в Германии делению) классе, соперничая с такими европейскими авторитетами, как «Ауди-100», БМВ пятой серии, «Мерседес-200-500E» (W124) (см. таблицу). Многоклапанный двигатель для данной модели (как и для «Вольво-940») — средство укрепиться на рынке мощных и скоростных автомобилей. 33 л.с. «сверху» и плюс 14 км/ч к максимальной скорости — неплохое приобретение при почти том же расходе топлива. А что предлагают серьезные и уважаемые БМВ и «Мерседес», ведь эти фирмы вряд ли клюнут на пустую затею? Если в 1988 году они делали по одной-две модели с четырехклапанными двигателями, то в 1992-м каждая выставила их более десяти — от купе и кабриолетов до универсалов, доказав, что спортивность не чужда и «грузовикам». Каковы же результаты?
Модель БМВ-318iS появилась как более дешевая альтернатива «325-й», но в то же время более мощная, чем базовая -318, специально для тех, кому не по карману «большой» двигатель. Более мощная машина получилась экономичнее на всех режимах, кроме городского цикла. Правда, для этого случая есть контраргумент — -318iS расходует бензин «супер», а не «нормаль», но в Германии разница в цене этих сортов бензина невелика (около пяти процентов).
Двигатель автомобиля «Мицубиси-Галант»: два распределительных вала, гидравлические компенсаторы клапанного зазора — типичные для четырехклапанных моторов.
Если сечение каналов больше, это не значит, что топлива в цилиндры поступает больше и расход должен быть выше. Многоклапанные головки двигателя позволяют изменить распределение рабочей смеси по камере сгорания, снизить потери впуска и уменьшить количество оставшихся в цилиндрах отработавших газов. Все это увеличивает КПД двигателя, следовательно, появляется возможность уменьшить расход, хотя бы на некоторых режимах. Кстати, двигатель потребляет не столько топлива, сколько войдет в цилиндры, карбюратор или система впрыска «определяют дозу» согласна желанию конструкторов. Но и разработчики иной раз вынуждены идти на уступки, например, применять высокооктановый бензин, как в описанном выше случае. А другие, более солидные модели? В таблице приведены характеристики БМВ 5-й серии. БМВ пришлось действовать так же, как «Опелю»: новая головка двигателя — и время разгона стало что надо! Так поступили в 1990 году с моделями -520 и -525, а еще через год выпуск этих моделей с двухклапанной головкой прекратили. Результат нам уже знаком: улучшены динамические качества, расход топлива снижен на всех стандартных режимах, кроме городского цикла.
Если не усложнять двигатель лишними валами и клапанами, а просто увеличить его объем? Ответ тоже есть в таблице. С появлением четырехклапанной «525-й» модель -530 (большего литража) сняли с производства. Машина с четырехклапанным двигателем разгоняется с места до 100 км/ч за 7,8 с, а с двухклапанным — за 8,5 с (с автоматической коробкой передач).
Если мы изучим все моторы, выпускаемые БМВ и «Мерседес-Бенц», то убедимся, что двухклапанные в последние годы почти не встречаются. Осенью 1992 года «Мерседес» упразднил их на самых популярных моделях -200 и -300, заменив четырехклапанными.
Конечно, улучшить характеристики автомобиля можно не только изменив конструкцию двигателя (увеличив число клапанов). Нередко вместе с этим изменяют передаточные числа в коробке передач, модифицируют систему впрыска топлива и т. д. Вспомните: у «Жигулей» двигатели разной мощности комплектуются коробками передач с различающимися передаточными числами. Но все же ведущие фирмы все шире применяют четырехклапанные двигатели. Исключение составляют американские: они комплектуют такими моторами лишь спортивные модели («Олдсмобил-Катлесс») и те, что изготовлены по кооперации с японскими фирмами («Форд-Торус-SHO»).
Каковы дальнейшие перспективы развития многоклапанных двигателей? Видимо, к концу десятилетия они полностью или почти полностью вытеснят обычные. «Мазда-121», о которой мы говорили,— далеко не предел: в Японии, где все еще популярны микролитражные, как говорили раньше, машины, четырехклапанный двигатель объемом 600—800 см3 (у той же «Мазды», «Дайхатсу», «Субару») — не редкость. В условиях современного производства затраты на выпуск технологически более сложной головки блока невелики, а повышенная цена автомобиля, как правило, оправдывается хорошими характеристиками и не отпугивает покупателя.
Некоторые и у нас, и на Западе ездят на четырехклапанных машинах, даже не подозревая об этом. Автомобильные фирмы иной раз упоминают о конструкции только в технических характеристиках: ведь потребителя волнуют эксплуатационные показатели, а не устройство двигателя. Другие, наоборот, стремятся подчеркнуть технический уровень или спортивные качества модели, тогда в названии появляются обозначения «16V», «24V». Первое говорит о том, что двигатель имеет четыре цилиндра и четыре клапана на цилиндр, всего шестнадцать, а второе — шесть цилиндров, по четыре клапана на каждый (6X4=24). Индексы трехклапанных двигателей «12V», «18V». Те же надписи могут быть и на клапанной крышке, а кроме них «DОНС» и «Twincam», что означает «два распределительных вала в головке». Если же рядом с «DОНС» не стоит «12V» или «24V», то двигатель вовсе не обязательно четырехклапанный: два распредвала могут быть и у обычного, двухклапанного.
Представим, что вы пришли в магазин и увидели некую модель как с двухклапанным двигателем, так и с четыреклапанным. Какой вариант предпочесть? С точки зрения «чистого ездока», автомобиль с многоклапанным мотором, безусловно, хорошее приобретение: высокая мощность, отличная динамика при приемлемом расходе топлива будут радовать. Но заплатить придется на 10—30% больше, правда, не только за клапаны: вы наверняка получите еще литые диски, широкие покрышки, спойлеры и много других приятных мелочей. В эксплуатации такой автомобиль будет ненамного дороже, но в случае крупного ремонта двигателя возможны дополнительные расходы: запчастей понадобится больше и придется поискать того, кто возьмется.
Есть еще нюанс: мощная машина великолепно проявляет темперамент водителя, и если вы привыкли давить на газ до упора, на умеренный расход не надейтесь. Впрочем, клапаны тут не виноваты, чаще посматривайте на эконометр и держите стрелку подальше от красной зоны.
Фантастический 36-клапанный 6 цилиндровый V образный двигатель Maserati. Самой главной его особенностью является головки блока двигателя с 6 клапанами на цилиндр! Такой мотор существовал только, как опытный экземпляр и никогда не появлялся в серийном производстве, а жаль. Он был создан, как полигон для обкатки новых передовых технологий Maserati. Так например в головке блока была впервые применена система пальцевого привода сразу трех клапанов, от одного распределительного вала.
Так как все движущиеся части клапанного механизма очень легкие, износ направляющих, седел, клапанов и распредвала минимален. В связи с тем, что клапаны имеют разные углы установки в камере сгорания, создается очень сильный вихревой эффект, который помогает смешивать топливо с воздухом и как следствие двигатель имеет малый расход топлива, из за лучшего и более полного его сгорания.
Технические характеристики двигателя Maserati V6-4AC-36v
Дата выпуска: 14 декабря 1985 года.
Рабочий объем: 2.0 литра.
Фантастическая мощность: 261 л.с. при 7200 оборотов в минуту.
Низкое давление наддува: 0,8 бар. Используется 2 турбонаддува.
Клапанов на цилиндр: 6
Угол наклона впускных внутренних клапанов: 11.25 градусов.
Угол наклона внешнего впускного клапана: 3 градуса.
Угол наклона выпускных внутренних клапанов: 10.5 градусов.
Угол наклона внешнего выпускного клапана: 2.5 градусов.
Количество распредвалов 4 шт (по два на головку)
Расход топлива 200 граммов на 1 лс в час.
Подведя итоги можно сказать, что у Maserati получился очень передовой и инновационный двигатель, клапанный механизм которого, обладал малой инерцией и долгим сроком службы, наполнение цилиндров с такой схемой превосходит наполнение головок с 4 клапанами на цилиндр, при том, что расход топлива на лошадиную силу уменьшается. Жалко только, что по непонятным причинам, Maserati не стала производить подобные моторы серийно и остановилась на изготовлении такого же силового агрегата, но с привычными 4-х клапанными головками.
Источник: