Интернет журныл о промышленности в Украине

Двигун без ГРМ | Журнал Популярна Механіка

  1. Між двох стихій
  2. На фортепіано коромислом
  3. Геть канони!

Іменитий винахідник Крістіан фон Кенігсегг вирішив довести всьому автомобільному світу, що газорозподільний механізм, основа основ двигуна внутрішнього згоряння, - не більше ніж зайва дорога деталь.

Будучи простим шведським хлопчиськом, Кенігсегг розбирав побутові прилади, сподіваючись знайти спосіб поліпшити їх. Кажуть, що він першим придумав аудіоплеєри з пам'яттю на мікросхемах, але в світі, захоплено компакт-дисками, до нього ніхто не прислухався. Йому ж приписують ідею защипувалися замку для підлогового ламінату. І знову через кілька років винахід запатентував хтось інший. Правда це чи ні, судити не візьмемося. Але сьогодні до Крістіану прислухаються дуже уважно, та й патентне право він вивчив напам'ять.

У 2005 році автомобіль, названий ім'ям Крістіана фон Кенігсегг, офіційно став найшвидшим серійним авто на планеті: експерти Книги рекордів Гіннеса зафіксували швидкість 388,87 км / ч. Koenigsegg CCXR став кращим в світі спорткаром по співвідношенню маси і потужності. Koenigsegg One: 1 лідирує в номінації «кращий розгін», досягаючи швидкості 300 км / год всього за 11,92 с.

Поки найефективніші у світі спорткари б'ють рекорд за рекордом, їх творець роз'їжджає на старенькому Saab 9-5, хитро посміхаючись. Під капотом у «дідка» єдиний в світі двигун, у якого немає ні розподільного вала, ні кулачків, ні штовхачів клапанів, ні горезвісного ременя ГРМ. І, на відміну від скажених Koenigsegg, що призначаються лише багатим і знаменитим, мотори з індивідуальними приводами клапанів обіцяють стати першим по-справжньому масовим творінням шведського винахідника.

Старенький Saab, якому дісталася досвідчена версія ГРМ з незалежними клапанами, проїхав з нею 60 000 км, побачивши і літню спеку, і 20-градусні морози Старенький Saab, якому дісталася досвідчена версія ГРМ з незалежними клапанами, проїхав з нею 60 000 км, побачивши і літню спеку, і 20-градусні морози. Головку блоку циліндрів зробили з оригінальною «саабовскій», викинувши з неї все зайве і проточив нові канали для гідравліки і пневматики. Наші колеги з Jalopnik.com прокотилися на «дідка» і відзначили, що на оборотах до 3000 об / хв він проявляє дизельні повадки - характерно постукує клапанами і видає скажений крутний момент.

Між двох стихій

У голівці блоку циліндрів випробувального «Сааба», як і належить, трудяться 16 клапанів. Кожен з них наводиться окремим актуатором, і кожен отримує команду на відкриття або закриття від комп'ютера управління двигуном незалежно від інших.

Актуатор - головне ноу-хау Freevalve, дочірньої компанії Koenigsegg. Забезпечити кожен клапан індивідуальним приводом і управляти ними незалежно один від одного пробували багато розробників, серед яких чимало автовиробників зі світовим ім'ям. Найбільш очевидне рішення у вигляді лінійних електродвигунів (соленоїдів) не приводить до бажаного результату: невеликим моторам не вистачає потужності, щоб розігнати клапани до потрібних швидкостей (20 000 відкриттів і закриттів в хвилину), виникають проблеми з охолодженням і надійністю.

Найбільш очевидне рішення у вигляді лінійних електродвигунів (соленоїдів) не приводить до бажаного результату: невеликим моторам не вистачає потужності, щоб розігнати клапани до потрібних швидкостей (20 000 відкриттів і закриттів в хвилину), виникають проблеми з охолодженням і надійністю

Крістіан фон Кенігсегг не розповідає в деталі принципу роботи свого приводу, але з задоволенням пояснює загальну концепцію «пневмогідравлоелектріческого актуатора». Відкриває клапани пневматика, а закриває - гідравліка. І пневматична, і гідравлічна системи постійно знаходяться під тиском і готові повідомити клапану максимум енергії. Завдання електричного приводу - лише вчасно подавати до клапану повітря або масло. Проблема охолодження і мастила при цьому вирішується сама собою: найбільш навантажені деталі приводу обслуговуються відповідними системами самого ДВС.

Принадність актуатора Freevalve в тому, що він підходить практично для будь-якого автомобільного або мотоциклетного двигуна. Будь то високооборотний мотор гоночного мотоцикла, розкручується до 16 000 об / хв, або вантажний дизель, торохтіли на 3500 об / хв, один і той же привід буде повністю відповідати їх потребам. Клапан гоночного мотоцикла зроблений з легкого сплаву, тому енергія актуатора з легкістю розганяє його до великих швидкостей. Клапан вантажівки великий і важкий, проте і високі швидкості йому не потрібні.

На фортепіано коромислом

«Використовувати традиційний распредвал замість Freevalve - це все одно що грати на фортепіано коромислом замість пальців», - стверджує фон Кенігсегг. Що за проблеми хоче вирішити винахідник, програмуючи поведінку кожного клапана окремо? Перерахуємо їх у порядку наростання цікавинки.

Найочевидніше: для різних режимів роботи двигуна (перш за все швидкості обертання коленвала) існує свій оптимальний склад паливо-повітряної суміші, свої правильні моменти відкриття і закриття клапанів. Традиційно ця проблема вирішується за допомогою механізму зміни фаз газорозподілу (наприклад, VTEC): весь розподільний вал злегка повертається щодо шестерні приводу газорозподільного механізму (ГРМ), і всі моменти відкриття і закриття клапанів зміщуються вперед або назад.

Червоний графік демонструє криву відкриття впускного клапана, синій - випускного Червоний графік демонструє криву відкриття впускного клапана, синій - випускного. Добре видно, що клапани максимально довго перебувають в повністю відкритому положенні, - графіки мають майже прямокутний профіль, тоді як зі звичайним ГРМ вони були б більше схожі на параболи. Необхідні обсяги газів проходять через клапани Freevalve за менший проміжок часу, ніж зазвичай, тому короткі фази впуску і випуску не перекриваються. У цьому криється причина майже двократного поліпшення екологічних показників.

Проблема VTEC полягає в обмеженій кількості режимів, в той час як індивідуально керовані клапани дозволяють переглядати оптимальний набір параметрів при будь-якому, навіть найменшому зміні оборотів. Але головне те, що Freevalve дозволяє змінювати не тільки момент, але і тривалість відкриття клапанів.

А що, якщо нам захочеться гнучко управляти потужністю двигуна, відключаючи частину циліндрів? У сучасних двигунах завдання вирішується за допомогою вельми складного механізму: для кожного клапана передбачається два кулачка, які змінюють один одного, зрушуючи уздовж распредвала. Один кулачок забезпечує штатну роботу клапана, другий відповідає за роботу циліндра в «режимі очікування». Клапани Freevalve дозволяють в будь-який момент включати будь-яку програму для будь-якого циліндра без будь-яких механічних хитрувань.

І все ж головна проблема традиційного ГРМ криється в еліптичної форми кулачка, завдяки якій клапан практично ніколи не буває відкритий або закритий повністю. Замість цього він завжди або плавно відкривається, або плавно закривається, що знижує його пропускну здатність. Мало того, ця особливість призводить до того, що в певні моменти впускні і випускні клапани виявляються відкритими одночасно, і це негативно позначається на екологічних характеристиках двигуна.

Клапани Freevalve дозволяють зробити головку блоку циліндрів і сам двигун набагато компактніше Клапани Freevalve дозволяють зробити головку блоку циліндрів і сам двигун набагато компактніше. Але це далеко не єдине компоновочное перевага. Можна збільшити кількість клапанів на один циліндр, розділивши функції між ними. Наприклад, направляти одну частину вихлопу до турбіни нагнітача, а іншу - безпосередньо до каталізатора, з екологічних міркувань. Спеціальні клапани знадобляться і для того, щоб перетворити автомобіль в пневматичний гібрид.

Крістіан фон Кенігсегг демонструє криву відкриття клапанів на моніторі спеціального приладу. Вона нагадує прямокутник: клапан різко відкривається, утримується у відкритому стані, а потім різко закривається. Це вам не вічний сумний еліпс традиційного клапана. Особливо цікаво, що крива зберігає свою незграбність навіть на високих оборотах (до 10 000 об / хв) - актуатора вистачає потужності, щоб відкривати і закривати клапан дійсно швидко.

Мабуть, саме ця властивість найбільшою мірою посприяло тому, що тестовий двигун з вільними клапанами показав вражаючі результати на випробуваннях: він видає на 30% більше крутного моменту, споживає на 30% менше палива і дає 50% -ве скорочення шкідливих викидів.

Геть канони!

Freevalve - це більше, ніж здається. По-перше, система може в значній мірі змінити зовнішність автомобіля. Розподільчий вал і штовхачі клапанів займають багато місця в голівці блоку циліндрів, та й важать чимало. Чотирициліндровий двигун з Freevalve розмірами і вагою нагадує трициліндровий. Якщо ж врахувати, що незалежні клапани дають значний приріст крутного моменту, то можна і зовсім обійтися двома циліндрами. І тоді крихітний моторчик можна буде заховати хоч під сидінням.

Система дозволяє в будь-який момент перевести двигун на екзотичний цикл роботи, хоч Міллера, як на Mazda, хоч Аткінсона, як на Prius. Чого вже скромничати: при бажанні мотор може в одну мить стати двотактним, майже двократно наростивши потужність! Фон Кенігсегг мріє про автомобілі з двома паливними баками та системами харчування: для бензину і дизеля. Для переходу на біопаливо гнучкість налаштувань також актуальна.

Для переходу на біопаливо гнучкість налаштувань також актуальна

Але найцікавіша фантазія винахідника - це пневматичний гібрид. Використовуючи спеціальну конфігурацію клапанів, можна перетворити ДВС в компресор, який при гальмуванні буде закачувати повітря в балон, акумулюючи тиск. Потім стиснене повітря можна нагнітати в циліндри, розганяючи автомобіль, або використовувати в якості потужного аналога турбонаддува, короткочасно збільшуючи потужність двигуна.

Мабуть, найнесподіваніше властивість двигуна з незалежними клапанами - надійність. Кожен водій боїться обриву ременя ГРМ: якщо поршень «наздожене» клапани, те ж саме станеться і у всіх інших циліндрах. Дорога головка блоку циліндрів, а разом з нею і поршні, і, можливо, шатуни з колінчастим валом опиняться серйозно пошкоджені.

А з Freevalve все просто: немає ГРМ - немає і проблем! Якщо ж один циліндр раптом «стуканет» - всі інші залишаться цілі та неушкоджені.

Стаття «Ні ГРМ - немає проблем» опублікована в журналі «Популярна механіка» ( №4, Грудень 2016 ).

Що за проблеми хоче вирішити винахідник, програмуючи поведінку кожного клапана окремо?
А що, якщо нам захочеться гнучко управляти потужністю двигуна, відключаючи частину циліндрів?