десмодромный привод клапанов что это
Десмодромный привод клапанов Ducati
Недавно узнал, что на мотоциклах фирмы Ducati используется особый привод клапанов ГРМ…Решил подробнее узнать об этом, и вот что нашел:
Десмодромный привод клапанов — схема газораспределения, при которой как открытие, так и закрытие клапанов осуществляется с помощью распределительного вала. Широко используется в силовых агрегатах мотоциклов компании Ducati.
Десмодромный механизм имеет общепринятое международное название Desmodromic.
В 50-е годы прошлого века десмодромная схема газораспределения применялась на гоночных автомобилях Mercedes-Benz. В настоящее время десмодромный механизм используется в двигателях внутреннего сгорания, устанавливаемых на гоночных мотоциклах Ducati, и является визитной карточкой фирмы.
Управляемое движение клапана в десмодромном механизме осуществляется с помощью специального привода, который включает:
1)распределительный вал с кулачками специальной формы (по другой схеме – два распределительных вала, один на закрытие, другой на открытие клапанов);
2)два коромысла, обеспечивающих открытие и закрытие каждого клапана;
3)элементов соединения (шайб) коромысла с клапаном.
1)шайба открытия
2)зажим
3)втулка (цанга)
4)шайба закрытия
5)коромысло закрытия
6)уплотнение клапана
7)направляющая клапана
8)пружина
9)клапан
10)коромысло открытия
11)кулачок распределительного вала
Применение десмодромного механизма позволяет предотвратить, т.н. «зависание клапанов» (неполное закрытие клапана до достижения поршнем верхней мертвой точки), возникающее вследствие высокой частоты вращения коленчатого вала двигателя, инерции клапана и резонанса пружины. Зависание клапанов может привести к серьезным проблемам:
1)столкновение поршня с клапаном, и как следствие их разрушение;
2)перегрев клапанов, и как следствие их коробление и разрушение;
3)преждевременное воспламенение топливно-воздушной смеси, и как следствие уменьшение давления газов, снижение мощности двигателя, увеличение вредных выбросов.
Десмодромная схема газораспределения имеет ряд существенных недостатков, сдерживающих ее широкое применение:
1)высокая стоимость конструкции, обусловленная точностью сопряженных деталей;
2)сложность технического обслуживания, обусловленная наличием большого количества движущихся частей, склонных к износу;
3)высокий уровень шума;
4)громоздкость системы и как следствие применение на мотоциклетных двигателях.
Наряду с системой Desmodromic проблема зависания клапанов на современных двигателях решается и другими способами:
1)применением нескольких (двух-трех) пружин, расположенных одна в другой и предотвращающих резонансные колебания;
2)применением новых материалов и сплавов для изготовления клапанов и пружин, снижающих их вес;
3)использованием пневматического привода клапанов (на спортивных автомобилях Формулы-1).
МОЙ МОТОЦИКЛ
Всем, кто имеет дело с техникой, знакомо понятие клапана как конечного инструмента системы газораспределения. Также известен факт, что меньше двух клапанов (один впускной и один выпускной) на цилиндр в 4-тактном поршневом двигателе быть не может. Зато может быть три, четыре и более. Увеличение количества клапанов и применение хитроумных систем изменения фаз газораспределения – все это способы эффективного использования рабочего объема двигателя. А именно: повышение его мощности.
Бесконечно повышать мощность 4-тактного поршневого двигателя, поднимая его максимальные обороты и степень сжатия в цилиндрах, не получится. Чисто физический предел – цикл Карно, описывающий работу всех поршневых тепловых машин и химические свойства органического топлива, на котором они работают. Гораздо раньше описанного выше физического предела наступают другие ограничения: массогабаритные показатели деталей двигателя, тепловые нагрузки, ограниченные возможности кривошипно-шатунного механизма, инерция деталей газораспределительной системы.
Последнее явление имеет свойство проявляться на хорошо затюнингованном двигателе. В нем максимальные обороты коленчатого и распределительного валов достигают таких величин, когда возвращающие пружины не успевают закрывать клапаны. Возникает разброс фаз газораспределения: клапан не успевает описывать форму профиля кулачка на распределительном валу – по сути, отстает от его кривизны. У мотористов есть специальный термин на этот счет – «подвисание клапанов». В таком режиме кроме потери мощности может возникнуть так называемая коллизия – встреча еще не закрытого клапана с поршнем, который уже подходит к ВМТ (верхней мертвой точке).
С этим можно пробовать бороться, повысив жесткость пружин и установив специальные тюнинговые. Однако дальнейшее увеличение жесткости клапанных пружин может привести к увеличению габаритов и массы распределительного вала.
Понятие Desmodromic походит от сочетания двух греческих слов: desmos (контроль, связь) и dromos (направление, путь). Это общий термин, применяемый к механизмам с постоянными приводами, которые контролируют работу других механизмов в обратных направлениях.
Десмодромный привод клапанов подразумевает полностью принудительно контролируемый привод. За счет энергии движения поршней и вращения коленвала происходит не только открывание клапанов, но и их закрывание. Особенностью этого способа привода является отсутствие пружин, что исключает эффект подвисания клапанов.
Идея десмодромного привода клапанов не есть чем-то сверхновым и революционным в моторостроении. И уж точно не изобретением инженеров Ducati. Первый патент на такого рода клапанный механизм был выдан 4 февраля 1898 года немцу Густаву Меесу (Gustav Mees). С тех пор практически каждый производитель – автомобилей, мотоциклов или авиадвигателей – приложился к теме изобретения десмодромного привода. Получено огромное количество патентов и реализована масса вариантов механизма, в основном на спортивных аппаратах. Но наибольшую известность десмопривод получил благодаря итальянским мотоконструкторам.
В 1956 году инженеры Ducati применили десмодромный привод на 125-кубовом 1-цилиндровом моторе, используемом в качестве силового агрегата модели Mark 450. Это был первый серийный мотоцикл, оснащенный таким механизмом газораспределения. Позднее, в 1972 году, концерн выпустил революционную модель 750 Imola со ставшим впоследствии фирменным L-образным (развал цилиндров равен или больше 90°) двигателем и десмодромным приводом пары клапанов в каждой головке.
Десмодромный привод клапанов, который реализовал концерн Ducati на аппарате 1972 года, достаточно простой и понятный, в отличие от реализованных в свое время приводов другими производителями. Пара коромысел контролирует каждый клапан, одно коромысло открывает, второе – закрывает. Оба коромысла описывают окружность профиля кулачков на распределительном валу.
На современных моделях концерна десмопривод ничем не отличается от подобного механизма легендарной Imola. Разве что большим количеством деталей, так как количество клапанов на цилиндр больше.
Десмодромный механизм Ducati предельно прост и прозрачен. Основной трудностью в его производстве являются сложные формы профилей кулачков. Они требуют скрупулезных расчетов и очень высокой культуры производства – высококвалифицированных специалистов и спецоборудования.
Механизм позволяет добиваться полного контроля над клапанами и фазами газораспределения, поднимая предел максимальных оборотов на значительные величины: красная зона тахометра спортивного болида начинается с 17000 об/мин. Однако на нем практически невозможно реализовать систему изменения фаз газораспределения с растягиванием времени открытого клапана.
Для спортивного двигателя очень важно радиальное расположение осей клапанов с максимально возможным поддержанием сферической формы камеры сгорания. С десмодромным приводом клапанов это также сложно реализовать.
Регулировки тепловых зазоров – еще одно слабое звено такой системы газораспределения. Инженерам Ducati есть над чем подумать: гидрокомпенсаторы, привычные для современных двигателей, здесь применить невозможно. Регулировка производится исключительно подбором специальных шайб на концах коромысел, контролирующих клапан. Это не так просто, как может показаться на первый взгляд. Регулировочные шайбы подбираются парами для каждой пары коромысел, причем, замер зазоров производится для верхних и нижних коромысел отдельно. Именно с нижними коромыслами больше всего возни. Но инженеры Дукати хорошо делают свою работу: регламент обслуживания (регулировки зазоров клапанов) современных высокотехнологичных вэшек фирмы достигает 24 000 км.
Как бы там ни было, но Десмоседичи, пилотируемый Кейси Стоунером, в 2007 году привез конюшне Ducati первое место в чемпионате MotoGP и кубке конструкторов. Подстегиваемые успехом итальянцев, заводские команды-участники гран-при ведут активный поиск замены обычным клапанным пружинам
Десмодромный привод клапанов
Десмодромный привод клапанов – когда они не только открываются, но и закрываются принудительно, без помощи пружин, – применяется уже сотню лет.
Конечно, десмодромный привод ассоциируется прежде всего с маркой Ducati. Ведь больше никто так и не освоил серийного производства двигателей с такой системой – а итальянская компания уже несколько десятков лет не выпускает моторов без нее.
Термин «десмодромный» составлен из двух греческих слов: «десмос», что означает «контролируемый», и «дромос» — путь, траектория. Он применяется для тех систем газораспределения, где и открытие, и закрытие клапанов осуществляется принудительно с помощью механических устройств – обычно же клапаны закрываются пружинами. Сто лет назад хроническая ненадежность пружин – которые часто ломались даже при умеренных оборотах двигателя, свойственных той эпохе, – заставляла конструкторов искать альтернативы. Некоторые из этих систем оказались удачными, но в серийное производство десмодромный привод внедрила только Ducati – его изготовление требует дорогого и сложного оборудования. Позднее, когда проблема надежности пружин была решена, такой привод применяли, чтобы избавиться от зависания клапанов – явления, когда на высоких оборотах пружины просто не успевали вовремя закрывать клапаны.
Первый патент на десмодромную систему газораспределения взял в 1910 году английский инженер Арнотт: приводное коромысло, шарнирно связанное со стержнем клапана, другим концом входило в кольцевую канавку на кулачке распредвала. Но первый случай практического применения – заслуга швейцарского инженера Эрнста Анри, конструктора гоночного автомобиля Peugeot L76. Его 8-литровый четырехцилиндровый мотор отличался также двумя верхними распредвалами, четырехклапанными головками цилиндров, полусферическими камерами сгорания и двумя свечами на цилиндр. Распределительные кулачки работали внутри профилированных коробок, связанных со стержнями клапанов. Впрочем, поскольку точность закрытия клапанов обеспечивали дополнительные пружины, то эту конструкцию иногда называют полудесмодромной. Как бы то ни было, Peugeot L76 выиграл Гран-при Франции 1912 года и гонку Индианаполис 500 в 1913 году. Во время Первой мировой войны Peugeot адаптировал эту систему для авиадвигателя L112 – было выпущено около 1500 этих агрегатов. Систему скопировали также конструкторы компании Delage – впрочем, без особого успеха.
А честь первого применения подлинно десмодромного привода принадлежит также французам – инженерам компании Bignan. Их автомобиль с двигателем такой системы выиграл 24-часовую гонку Spa в 1920 году и установил несколько рекордов на треке Бруклэндз. Привод был довольно сложным: распредвалы коническими шестернями соединялись с промежуточными валами, параллельными клапанам, а установленные на промежуточных валах изогнутые тарелки входили в прорези на стержнях клапанов, вызывая их продольное перемещение. Очевидно, эта сложность и помешала планировавшемуся серийному производству. Еще более сложный вариант этой системы – выступы на стержнях клапанов входили в профилированные канавки цилиндров, укрепленных на промежуточных валах – пытался использовать Fiat на гоночном автомобиле 401/801 1920 года, но дело ограничилось постройкой одного экспериментального экземпляра.
Самый успешный десмодромный двигатель в автомобильном мире – легендарный восьмицилиндровый Mercedes-Benz W196, на котором Хуан-Мануэль Фанхио дважды – в 1954 и 1955 годах – становился чемпионом мира Формулы 1. В немецкой конструкции один кулачок распредвала непосредственно воздействует на цилиндрический толкатель, жестко связанный со стержнем клапана, а второй кулачок – на коромысло, другим концом входящее в паз в этом же толкателе. Известно, что Энцо Феррари опасался, что его собственные болиды Формулы 1 не смогут конкурировать с германскими «Серебрянными стрелами» без применения подобной системы, и провел ряд консультаций с инженерами, понимающими в десмодромном приводе – в том числе и с Фабио Тальони. Сохранились также фотографии, сделанные во время визита Фанхио на завод Ducati в 1955 году – возможно, идея применения десмодромного привода возникла именно тогда!
Но первый десмодромный двигатель в Болонье построили в другой мотоциклетной компании – F.B. Mondial. Ее главный конструктор Альфонсо Друзиани в 1954 году разработал 175-кубовый одноцилиндровый двигатель, четыре кулачка его распредвала открывали и закрывали клапаны. Этот мотор был создан для престижной дорожной гонки Giro d’Italia, однако Тарквиньо Провини выиграл ее с двигателем обычной конструкции, и проект не получил продолжения. Но под началом Друзиани тогда работал Фабио Тальони, и он уже тогда оценил потенциал системы. В 1955 году Тальони перешел в Ducati, а уже через год создал свой первый десмодромный двигатель – для гоночного мотоцикла, 125-кубовый, с тремя верхними распредвалами – средний работал на закрывающие клапаны коромысла. Этот аппарат выиграл первую же свою гонку – Гран-при Швеции 1956 года. С тех пор работа над десмодромными моторами в Ducati не прекращалась, и с 1968 года компания освоила серийное производство таких агрегатов. Все версии – одноцилиндровые, двухцилиндровые, четырехцилиндровые, с двумя и четырьмя клапанами на цилиндр, с одним, двумя и тремя верхними распредвалами – представлены на выставке в Будрио, демонстрируя технический гений Фабио Тальони и его преемников – Массимо Борди и Филиппо Прециози.
Другой соперник Ducati, который экспериментировал с десмодромным мотором, – BMW. В начале 90-х годов руководство баварского концерна уже подумывало об участии в гонках супербайков, и тогдашний технический директор Буркхард Гёшель спроектировал модель R1 – двухцилиндровый оппозит жидкостного охлаждения в раме Bakker и с передней подвеской Telelever. Система газораспределения была похожа на Ducati: два верхних распредвала с цепным приводом, на каждом – четыре кулачка, приводящих два коромысла на клапан: цельное для открытия и вильчатое для закрытия. Как и на итальянском моторе, в конструкцию дополнительно введены вспомогательные пружины – для лучшей работы на малых оборотах и облегчения запуска. Но, после интенсивных тестов, проект был закрыт в 1992 году – официально из-за того, что конструкция оказалась слишком тяжелой, неофициально – потому, что не удалось добиться такой же мощности, как у Ducati.
В начале 90-х годов и Энцо Феррари вернулся к идее десмодромного привода для своих гоночных автомобилей. Инженер Анджолино Марчетти в 1991 году спроектировал для Scuderia Ferrari V-образный 12-цилиндровый двигатель с пятиклапанными головками цилиндров – то есть в целом 60 клапанов и 120 коромысел! Представьте себе регулировку зазоров на таком агрегате… Неудивительно, что после первых же тестов конструкторы предпочли обратиться к пневматическим пружинам. Десмодромным приводом активно занималась и команда Формулы 1 концерна Toyota: ее инженеры с 2003 по 2008 годы провели серию экспериментов со специально построенным одноцилиндровым 300-кубовым сверхкороткоходным (96,8х40,72 мм) двигателем, раскручивавшимся до 19 000 об/мин.
Другим японским производителем, экспериментировавшим с десмодромным приводом, была Honda. Ее инженеры построили такой мотор на основе 195-кубового двухклапанного двигателя от триального мотоцикла TLR200 1987 года. Большая загадка: почему они использовали такую систему, которая раскрывает свой потенциал на высоких оборотах, на агрегате, который призван обеспечивать большой крутящий момент на низких?
Первый патент на десмодромную систему привода клапанов взял в 1910 году английский инженер Арнотт. В его конструкции коромысло, одним концом входящее в профилированную канавку на кулачке распредвала, другим концом управляет открытием и закрытием клапана.
Гоночный Peugeot L76 1912 года – первое практическое применение десмодромного привода. Толкатель на нижнем конце соединен с клапаном, а вверху образует коробчатую конструкцию, которая ходит вверх и вниз под воздействием кулачков распредвала. Но, поскольку для закрытия клапанов применялись и пружины, эта система считается «полудесмодромной».
Французский Bignan 1920 года – первое практическое применение «настоящей» десмодромной системы. Профилированная шайба управляет подъемом и опусканием клапана.
Первый патент на использование десмодромного привода в мотоциклетном моторе взят Джеймсом Нортоном в 1924 году. Коромысло одним концом входит в профилированную канавку на кулачке, вторым соединено с клапаном.
На гоночном Norton Manx 1959 года использована головка цилиндра с четырьмя распредвалами: кулачки внешних открывают клапаны, кулачки внутренних через коромысла закрывают их.
Двигатель гоночного Mercedes-Benz W196 – победителя чемпионатов мира F1 1954 и 1955 годов. Кулачки, открывающие и закрывающие (через коромысла) клапаны, расположены рядом друг с другом.
Первая конструкция Фабио Тальони для Ducati: два верхних распредвала открывают клапаны, центральный – закрывает через коромысла.
Первый серийный двигатель Ducati с десмодромным приводом имел один верхний распредвал, открывание и закрывание клапанов – через коромысла.
125-кубовая MV Agusta 1959 года с тремя верхними распредвалами и десмодромным приводом клапанов.
BMW R1 – баварский супербайк начала 90-х годов.
Двигатель BMW R1: оппозит с десмодромным приводом.
Двигатель Ferrari F1 90-х годов: 12 цилиндров, 60 клапанов, 120 коромысел!
Десмодромный двигатель Honda сделан на основе триального.
В современных моторах Ducati десмодромный привод сочетается с двумя верхними распредвалами и четырьмя клапанами на головку.
Самые успешные «десмодромики» в авто- и мотомире – Mercedes-Benz и Ducati.
Хенк Клостерман построил более 60 полноразмерных моделей, иллюстрирующих принцип действия различных десмодромных систем.
1…Шайба открытия
2…Зажим
3…Втулка (цанга)
4…Шайба закрытия
5…Коромысло закрытия
6…Уплотнение клапана
7…Направляющая клапана
8…Пружина
9…Клапан
10…Коромысло открытия
11…Кулачок распределительного вала
Наглядно в движении:
Непривычное звучание работы двигателя:
«Объясните, что такое десмодромный ГРМ? Чем он отличается от обычных ГРМ, где применяется, какие у него достоинства и недостатки?»
Десмодромный механизм газораспределения по принципу действия напоминает традиционный ГРМ автомобильных двигателей, в котором впуском в цилиндры свежего заряда и выпуском отработавших газов заведуют клапаны. В десмодромном ГРМ клапанами также управляют кулачки распределительного вала, профиль которых определяет, в какие моменты времени в зависимости от протекания рабочего процесса в цилиндре двигателя клапаны должны открываться и закрываться, на какую величину они открываются и сколько находятся в открытом состоянии.
Разница заключается в том, что в десмодромном ГРМ нет пружин, возвращающих клапаны в исходное положение. Иначе говоря, если в традиционных ГРМ за возвращение клапанов в седла отвечают пружины и благодаря их упругости тарелки клапанов плотно прижимаются к горловинам отверстий в головке цилиндров, чем обеспечивается герметичность пространства над поршнем, когда в цилиндре происходит сжатие, сгорание и рабочий ход, то в десмодромном ГРМ это осуществляется иначе.
Вместо пружины в десмодромном ГРМ предусмотрено вильчатое коромысло, воздействующее на клапан снизу. Оно заставляет клапан закрыться и удерживает его в таком состоянии столько, сколько требуется в соответствии с фазами газораспределения.
При десмодромном управлении закрытием клапана такого быть не может, но есть и недостатки. Во-первых, необходима высокая точность изготовления деталей привода, что увеличивает его стоимость. Во-вторых, и это главное, детали привода подвержены более интенсивному износу, увеличение которого ухудшает точность работы механизма и в конечном итоге определяет срок его службы. Последний недостаток оказался решающим, ибо справиться с ним намного труднее, чем с проблемами ГРМ, использующих пружины для закрытия клапанов, тем более что эти проблемы проявляются лишь при частоте вращения коленвала свыше 7-8 тыс. об/мин, на которой гражданские автомобильные двигатели фактически не работают.
Остаются более быстроходные мотоциклетные моторы, однако и в этой области на сегодняшний день достоинства и недостатки десмодромного ГРМ пожинает лишь фирма Ducati, сделавшая систему Desmodromic фирменной изюминкой своих мотоциклов.
Это объясняет, почему для рассказа о принципах работы десмодромного ГРМ мы воспользовались иллюстрациями Ducati, однако в пределах принципа возможны разные исполнения. В частности, если взглянуть на вопрос с исторической точки зрения, выяснится, что «десмодром» является самым старым изо всех возможных типов газораспределения. Во всяком случае именно десмодромная схема применялась в двигателе Даймлера, ставшем, как известно, первым транспортным мотором. В торце маховика двигателя Даймлера имелся кольцевой паз, формой напоминавший кулачок, в котором удерживался и скользил ползун, толкающий штангу, другим концом открывавшую или закрывавшую клапан в зависимости от положения ползуна в канавке маховика.
По иронии судьбы первым транспортным средством, которое изготовил Даймлер, был как раз мотоцикл, однако известны примеры применения десмодромных ГРМ на автомобильных моторах.
Самый знаменитый из них ставился на Mercedes-Benz W196, на котором в 1954 и 1955 годах были выиграны два чемпионских титула в Формуле-1. Пилотировал машину пятикратный чемпион мира Хуан-Мануэль Фанхио.