Мультиклапан¶

Мультиклапан — это конструкция газораспределительного механизма (ГРМ) двигателя внутреннего сгорания, при которой на каждый цилиндр приходится более двух клапанов (обычно три, четыре или пять). Основная цель применения мультиклапанной схемы — улучшение наполнения цилиндров свежим зарядом (воздухом или топливовоздушной смесью) и более эффективное удаление отработавших газов, что ведёт к повышению мощности, крутящего момента и экономичности двигателя при сохранении или уменьшении рабочего объёма.

¶История

Первые эксперименты с много клапанными головками цилиндров проводились ещё в начале XX века. В 1912 году компания Peugeot использовала четырёхклапанную головку на гоночном автомобиле, что позволило добиться значительного прироста мощности. Однако массовое внедрение мультиклапанных схем началось только во второй половине XX века, когда развитие технологий обработки металлов и систем управления двигателем (впрыск топлива, электронный контроль фаз) сделало такие конструкции надёжными и экономически оправданными.

В 1970-х годах японские производители (Honda, Yamaha) активно применяли четырёхклапанные головки на мотоциклах, а затем и на автомобилях. В 1980-х годах компания Audi представила двигатель с пятью клапанами на цилиндр (20-клапанный рядный четырёхцилиндровый мотор), который устанавливался на модели Audi 80 и Audi 100. В 1990-х годах пятиклапанные двигатели стали визитной карточкой Volkswagen Group (например, 1.8T и VR5). В России мультиклапанные двигатели начали широко применяться в 2000-х годах, в том числе на автомобилях ВАЗ (например, 16-клапанные моторы для Lada Priora и Lada Vesta).

¶Классификация по количеству клапанов

¶Трёхклапанная схема (2 впускных, 1 выпускной)

Используется редко, в основном на дизельных двигателях или в экономичных бензиновых моторах. Обеспечивает хорошее наполнение на низких и средних оборотах, но ограничивает выпуск. Пример: некоторые двигатели Mitsubishi (серия 4G1).

¶Четырёхклапанная схема (2 впускных, 2 выпускных)

Наиболее распространённый тип мультиклапанной конструкции. Позволяет достичь оптимального баланса между мощностью, экономичностью и экологичностью. Применяется на большинстве современных бензиновых и дизельных двигателей легковых автомобилей. Примеры: двигатели Opel (X16XEL), Toyota (1ZZ-FE), ВАЗ-21126 (Lada Priora).

¶Пятиклапанная схема (3 впускных, 2 выпускных)

Обеспечивает наилучшее наполнение цилиндров на высоких оборотах, но сложна в производстве и обслуживании. Использовалась в основном на двигателях Volkswagen Group (1.8 20V, 2.3 VR5, 2.8 V6 30V) и некоторых мотоциклах (Honda CBR900RR). В настоящее время почти не применяется из-за высокой стоимости и появления более эффективных систем изменения фаз газораспределения.

¶Устройство и принцип работы

В мультиклапанной головке цилиндров клапаны располагаются в два ряда (впускные и выпускные) под углом друг к другу (обычно 30–50 градусов). Такая компоновка позволяет увеличить суммарную площадь проходных сечений клапанов по сравнению с двухклапанной схемой при том же диаметре цилиндра. Для привода клапанов используются два распределительных вала (DOHC — Double Overhead Camshaft) или один вал с коромыслами (SOHC — Single Overhead Camshaft), но в современных двигателях преобладает DOHC.

Каждый клапан открывается кулачком распределительного вала через толкатель (гидравлический или механический) или рокер. В четырёхклапанных двигателях часто применяются «мостики» — детали, передающие усилие от одного кулачка на два клапана (например, в некоторых двигателях Honda). В пятиклапанных моторах каждый клапан имеет свой кулачок, что усложняет конструкцию.

¶Преимущества и недостатки

¶Преимущества

• Увеличение мощности и крутящего момента при том же рабочем объёме (на 15–30% по сравнению с двухклапанными аналогами).
• Улучшение наполнения цилиндров на высоких оборотах (до 7000–8000 об/мин и выше).
• Снижение расхода топлива при одинаковой мощности (за счёт более полного сгорания смеси).
• Уменьшение токсичности выхлопных газов (благодаря лучшему смесеобразованию и более эффективному выпуску).
• Возможность размещения свечи зажигания или форсунки в центре камеры сгорания (оптимизация процесса сгорания).

¶Недостатки

• Усложнение конструкции головки блока цилиндров (больше деталей, выше стоимость производства и ремонта).
• Увеличение массы головки и, как следствие, общей массы двигателя.
• Повышенные требования к точности изготовления и сборки.
• Более сложная система привода ГРМ (два распределительных вала, цепь или ремень большей длины).
• Возможные проблемы с тепловыми зазорами (требуют точной регулировки, особенно на механических толкателях).
• При неправильной эксплуатации (например, перегрев) — риск деформации головки и заклинивания клапанов.

¶Применение

Мультиклапанные двигатели широко применяются в легковых автомобилях, мотоциклах, спортивных автомобилях, а также в некоторых грузовиках и спецтехнике. В России большинство современных бензиновых двигателей (например, ВАЗ-21126, 1.6 MPI от Volkswagen, двигатели Hyundai/Kia) имеют четырёхклапанные головки. Дизельные двигатели также часто используют мультиклапанные схемы (например, 2.0 TDI от Volkswagen, 1.5 dCi от Renault).

В гоночных автомобилях (Формула-1, WRC) применяются четырёхклапанные головки с пневматическим приводом клапанов (пневмоклапаны), что позволяет достигать оборотов до 20 000 об/мин.

¶Интересные факты

• Первый серийный автомобиль с пятиклапанным двигателем — Audi 80 (1988 год).
• Рекордное количество клапанов на цилиндр в серийном двигателе — 6 (например, двигатель Honda NR500, но он не был массовым из-за сложности).
• В двигателях с турбонаддувом мультиклапанная схема особенно эффективна, так как позволяет лучше использовать энергию выхлопных газов для раскрутки турбины.
• В СССР мультиклапанные двигатели не выпускались серийно (за исключением опытных образцов), что было связано с технологической отсталостью и ориентацией на простые и дешёвые конструкции.

¶Критика

Основные претензии к мультиклапанным двигателям связаны с их сложностью и стоимостью обслуживания. Например, на двигателях Volkswagen 1.8T (20V) замена ремня ГРМ требует высокой квалификации и специального инструмента, а гидрокомпенсаторы могут выходить из строя при использовании некачественного масла. Кроме того, на некоторых моторах (например, ВАЗ-21126) встречаются случаи загиба клапанов при обрыве ремня ГРМ, что требует капитального ремонта головки. Однако современные системы изменения фаз газораспределения (VVT, VVTi) и гидравлические компенсаторы частично нивелируют эти недостатки, делая мультиклапанные двигатели более надёжными и долговечными.

¶Источники

• Б. С. Квасников, «Двигатели внутреннего сгорания. Конструкция и расчёт», 2005.
• В. Н. Болдин, «Газораспределительные механизмы автомобильных двигателей», 2010.
• Техническая документация Volkswagen AG (двигатели 1.8T, 2.3 VR5).
• Техническая документация АО «АВТОВАЗ» (двигатели ВАЗ-21126, 21129).
• Статья «Multi-valve» в журнале «Engine Technology International», 1998.