Сегодня классический принцип работы газораспределительного механизма двигателя внутреннего сгорания сложно представить без основных узлов ГРМ: распределительных валов, приводных ремней и цепей ГРМ, приводных шестеренок, а также кулачков и толкателей.
Несомненно, многие ведущие производители ДВС и этот простой на первый взгляд механизм подвергли сложной модернизации. Взять к примеру систему изменения фаз газораспределения (VTEC) и прочих наворотов в ГРМ, позволяющих отключать работу отдельных поршней для экономии топлива.
И, казалось, как можно избавиться от этой гармонично слаженной работы механических элементов газораспределительного механизма. Если подходить кардинально, можно просто поменяв двигатель внутреннего сгорания на электромотор. Но речь все-таки о том как избавиться от классической схемы ГРМ именно в ДВС?
Оказывается уже с 2005 года такое решение есть, но только его применяют на мелкосерийном спорткаре Koenigsegg CCXR. Максимальная скорость спорткара 388,87 км/ч, а время набора скорости в 300 км/ч всего 11,92 с. Назван этот спорткар в честь самого создателя Кристиана фон Кенигсегга. А вот система, заменившая традиционную ГРМ, получила названия Freevalve, что в переводе означает «свободный клапан».
Создатель данной технологии передвигается не на спорткаре, а на скромном Saab 9-5, который на первый взгляд ничем не отличается от своих собратьев. Но если крышку капота отсека двигателя откроет даже не самый опытный автолюбитель, он невооруженным глазом увидит непривычную для себя картинку. Нет, приводных шестерней, ремня ГРМ, «постели» распределительных валом. А что приводит в действие клапана?
Так вот обеспечивает движением кланов так называемый актуатор системы Freevalve принцип которого основан на комплексном применении энергии электричесткого, гидравлического и пневматического характера. На вход блока Freevalve подается электрический ток, который приводит в действие пневматический механизм отдельно взятого актуатора для открытия клапана, и гидравлический для закрытия. Иными словами электрические приводы подают воздух и масло, тем самым обеспечивая движение клапана.
Каждый актуатор полностью независим от других и управляется вынесенным блоком управления. Создатель не раскрывает подробностей инновационной системы, но следуя логике данный блок управления должен работать в связке с системой подачи топлива для обеспечения синхронизации открытия клапанов и моментом впрыска топлива.
Демонстрационный график работы системы управления клапанами Freevalve позволяет увидеть очевидные плюсы.
Красная линия отображает характеристику работы впускных клапанов, синий - выпускных. В отличие от классической схемы ГРМ, где как впускные так и выпускные клапана открываются плавно с помощью распредвала по траектории эллипса, в системе Freevalve они открываются фактически мгновенно под действием электрического импульса.
Соответственно график движения клапанов с системой Freevalve имеют форму трапеции с почти прямыми углами, а график традиционной системы ГРМ - форму параболы. Таким образом время для попадания газов во выпускные и выпускные отверстия значительно сократилось улучшив при этом мощностные и экологические характеристики при равном объеме двигателя. На тестовом стенде двигатель с системой Freevalve показал 30-ти процентный прирост мощности и 50-ти процентное снижение вредных выбросов.
С помощью Freevalve гораздо проще решается механизм изменения фаз газораспределения. В таких известных системах как VTEC это достигается сложной конструкцией распределительных валов, которые умеют смешаться относительно оси приводных шестерен. Японский производитель Honda c 2003 года представил технологию Variable Cylinder Management (VCM) , позволяющую отключать цилиндры и работать только части поршневой группы для экономии топлива в режиме круиз контроля без нагрузок. Конструктивно это выполнено сложным размещением кулачков, которые могли двигаться вдоль распределительного вала обеспечивая рабочий и ожидающий режим работы поршня.
В случае с Freevalve обеспечения подобного функционала не требует дополнительные механические внедрения и модернизации. Все это достигается прошивкой блока управления актуаторов.
Дополнительно увеличить мощность и уменьшить выброс вредных веществ в атмосферу можно с помощью установки дополнительных клапанов на выхлопе. Часть выхлопных газов можно направлять в турбокомпрессор, а часть в катализатор.
Со слов изобретателя система Freevalve может быть установлена на любой двигатель внутреннего сгорания. Но это только теоретически. На практике пока что не совсем ясны эти варианты адаптации. Во-первых при установке на старый авто необходимо будет обеспечить уникальном для каждого корпусом вместо клапанной крышки, куда в свою очередь будут монтироваться актуаторы. Во-вторых не совсем понятно как будет налажена взаимосвязь с топливной системой, которой управляет штатные мозги авто.
Также при снятии тех же распределительных валов, приводных шестерен необходимо будет избавится от всяческих датчиков, при отсутствии которых мозг авто будет испытывать судорогу. Конечно, для новых авто плюсы несомненно на лицо, но в плане адаптации уже существующих авто вопрос пока еще остается открытым.
Итак, давайте подведен итоги и подобъем плюсы системы Freevalve с электронными актуатарами:
- Снижается масса двигателя за счет исключения шестерен, приводных ремней (цепей) и распредвалов ГРМ.
- Компактность двигателя и увеличения подкапотного пространства.
- Увеличения мощности двигателя порядка на 30%.
- Уменьшается выбросов токсичных газов в атмосферу.
Кандидат технических наук Д. СОСНИН.
В схеме газораспределительного механизма Архангельского имеется центробежный регулятор, сдвигающий моменты открытия и закрытия клапанов в зависимости от частоты вращения коленчатого вала.
Клапан Архангельского открывается при срабатывании электромагнита и закрывается возвратной пружиной.
Использование для перемещения клапана двух электромагнитов позволяет избавиться от возвратных пружин.
В новой конструкции газораспределительного механизма привод расположен сбоку от блока цилиндров. Применение длинных соленоидов увеличивает ход клапанов, позволяет его регулировать в широких пределах.
Исторически сложилось так, что отечественное автомобилестроение развивалось в попытках догнать западных коллег. По-настоящему оригинальные модели (к ним относится, скажем, “Победа”) можно пересчитать по пальцам. И все же интересные разработки, внедрение которых позволило бы нашим автомобилестроителям успешно конкурировать с зарубежными, появляются. Предлагаем вниманию читателей рассказ о необычном механизме, предложенном доцентом кафедры “Электротехника и электрооборудование” Московского автомобильно-дорожного института (Государственного технического университета) Д. А. Сосниным. Устройство позволяет отказаться от применения в двигателе привычного распределительного вала и в то же время гибко управлять фазами газораспределения и величиной хода клапанов.
ТАМ, ГДЕ ЭЛЕКТРОНИКА ПАСУЕТ
Любой автомобилестроитель стремится к тому, чтобы двигатели внутреннего сгорания (ДВС) на его машинах работали в оптимальном режиме: обеспечивали максимальную мощность, равномерность крутящего момента, минимальный расход топлива, наименьшую токсичность выхлопных газов. Однако пока этого никому не удалось добиться в полной мере, поскольку улучшение одних характеристик приводит к ухудшению других. В последнее время, правда, достигнут существенный прогресс благодаря применению автоматизированного управления работой двигателя с широким использованием электроники.
При составлении программы для системы управления двигатель на специальном испытательном стенде вводят в устойчивый режим работы и последовательно корректируют все параметры так, чтобы для данного режима они обеспечивали наилучшие выходные характеристики. То же проделывают при других режимах. Результаты записывают в постоянную память электронного блока в виде многомерной диаграммы, с помощью которой в дальнейшем формируются управляющие сигналы по каждому из параметров.
Например, в комплексной электронной системе “Motronic” (ФРГ), которая управляет впрыском топлива и зажиганием, пять таких диаграмм: для корректировки угла опережения зажигания, времени впрыска топлива, положения клапана рециркуляции (устройства, возвращающего часть выхлопных газов в цилиндр для лучшего дожигания топлива), времени накопления энергии в катушке зажигания и положения дроссельной заслонки. В качестве входных параметров в этой системе используются частота вращения коленчатого вала, крутящий момент и температура двигателя, а также напряжение аккумуляторной батареи. На выходе контролируют соответствие оборотов двигателя крутящему моменту и содержание окиси углерода в выхлопных газах.
К сожалению, в автомобиле есть система, которая не поддается регулированию даже самой изощренной автомобильной электроникой. Это газораспределительный механизм с жесткой кинематической связью между коленчатым и распределительным валами.
Специалисты считают, что классический двигатель достаточно совершенен и если иногда плохо работает, то лишь потому, что “задыхается от собственного выхлопа”; стоит дать двигателю побольше кислорода, позволить “дышать полной грудью”, и ему не будет альтернативы.
Помочь двигателю можно, если бы удалось сдвигать моменты открытия и закрытия клапанов, в первую очередь впускных. Вспоминается, как еще в начале 70-х годов прошлого века автогонщики прибалтийских
Республик выигрывали состязания, добиваясь частоты вращения коленчатого вала до 3000 об/мин на холостом ходу и до 8000 об/мин на полном газу. Впоследствии выяснилось, что они раздобыли шаблон распределительного вала, наплавляли кулачки и затем вручную доводили их форму. С такими распредвалами двигатели выдавали высокие характеристики (мощность и крутящий момент), но только на больших оборотах. Для спортивных машин это хорошо, но для “частных” - неприемлемо. Тем не менее такой факт говорит о заметной роли запаздывания или опережения фазы клапанов.
Как же заставить клапан открываться и закрываться в тот момент, который соответствует оптимальной работе двигателя? Ясно, что нужно управлять фазами газораспределения в зависимости от частоты вращения, положения и нагрузки коленчатого вала. Традиционный кулачковый распредвал не позволяет решить эту задачу.
В небольших пределах соотношение фаз газораспределения можно регулировать с помощью механических, электромеханических, гидравлических, пневматических приводов клапанов. Но наиболее перспективным считается электромагнитный привод, управляемый электроникой. С его помощью можно не только оптимизировать работу двигателя, но и расширить его функциональные возможности. Так, четырехцилиндровый двигатель при изменении порядка срабатывания клапанов можно заставить действовать как двух- или трехцилиндровый; он более равномерно работает при переменных нагрузках, потребляет меньше топлива на максимальных оборотах при заданной мощности. Не будет у такого двигателя проблем с изменением направления вращения коленчатого вала.
На первый взгляд все выглядит очень просто, но почему-то на автомобилях электромагнитные клапана пока встречаются только в экспериментальных разработках.
КЛАПАН АРХАНГЕЛЬСКОГО
Попытку реализовать идею электромагнитного клапана с гибким управлением предпринял в середине XX века профессор МАДИ В. М. Архангельский. Включение и выключение электромагнитов происходило при замыкании и размыкании контактов, связанных с кулачками распределительного вала. На место клапан возвращался пружиной.
В схеме Архангельского был предусмотрен центробежный регулятор на распределительном валу. При изменении частоты вращения он смещал положение кулачков и вызывал опережение открывания и закрывания клапанов. Таким образом, регулятор играл роль обратной связи. Это позволяло обходиться без программного управления, которого, кстати, тогда и не могло быть.
К сожалению, несмотря на изящество схемы, работоспособную конструкцию создать не удалось. Дело в том, что клапан должен быстро срабатывать и надежно закрываться, а поэтому требуется возвратная пружина с большой жесткостью. Соответственно нужен мощный электромагнит, который потребляет значительный ток из бортовой сети автомобиля. В те времена не было мощных полупроводниковых вентилей и металлические контакты при коммутации больших токов быстро выгорали. Наконец, при закрытии клапана возвратной пружиной происходил сильный удар головки клапана о гнездо, что вызывало шум при работе газораспределительного механизма и вело к частым поломкам клапанов.
ОДИН ХОРОШО, А ДВА ЛУЧШЕ
Избавиться от многих недостатков, присущих клапану Архангельского, можно, если вместо одного электромагнита поставить два - открывающий и закрывающий. Подобная схема была разработана одним из студентов Тольяттинского государственного университета в дипломном проекте под руководством доктора технических наук профессора В. В. Ивашина.
В данном варианте конструкции пружины не нужны, и поэтому электромагниты могут быть меньших размеров и мощности - ведь большой ток потребляется лишь при закрывании и открывании клапанов, а для их удержания достаточна сила тока в десять раз меньше.
Но главное, теперь можно обойтись совсем без распределительного вала, поскольку задавать время срабатывания и силу тока через обмотку электромагнита может программируемый контроллер - электронное устройство, обычно на микропроцессоре, управляющее работой двигателя и других систем автомобиля.
В НАМИ под руководством кандидата технических наук А. Н. Терехина начали проводить исследовательские и конструкторские разработки газораспределительного механизма с электромагнитным приводом клапанов на базе двигателя М-412. В результате был создан действующий макет газораспределительного механизма с двухсторонними электромагнитами на восьми клапанах. Но с начала 1990-х годов финансирование прекратилось, и перспективная разработка затерялась в архивах.
Несколько лет назад работы над новым газораспределительным механизмом были возобновлены на Волжском автозаводе под руководством главного конструктора АвтоВАЗа П. М. Прусова. Так, среди тем Всероссийского конкурса “Русский автомобиль” (см. “Наука и жизнь” № 12, 2002 г.) была объявлена “Разработка системы электромагнитного привода газораспределительных клапанов для 16-клапанного двигателя ВАЗ”. На конкурс были представлены два проекта, но оба совсем “не по делу”, и их даже не стали рассматривать.
Тем временем над усовершенствованием электромагнитного привода клапанов начали работать японские, американские и (с наибольшим успехом) немецкие автомобилестроители. Уже в 2002 году компания БМВ приступила к испытаниям на реальном 16-клапанном двигателе газораспределительного механизма с электромагнитным приводом всех клапанов.
КОНКУРЕНТОСПОСОБНАЯ КОНСТРУКЦИЯ
Тогда же к разработке электромагнитных газораспределительных клапанов приступили на кафедре “Электротехника и электрооборудование” МАДИ (ГТУ).
Хотя на Западе нас не признавали конкурентами: мол, “отстали на 10 миль” (на жаргоне автогонщиков так говорят об отставших на два круга, что означает - слабаки), однако автором запатентована конструкция, которая решает большинство проблем, присущих электромагнитным приводам.
В ней вместо громоздких электромагнитов, установленных над клапанами, применены длинные соленоиды. Торможение сердечника в длинном соленоиде реализуется не жесткими упорами, а краевыми магнитными полями, и работа привода становится бесшумной. Кроме того, ход клапана может быть сколь угодно большим и регулируемым. Возвратно-поступательное движение от электромагнита к клапану передается через штангу и качающееся коромысло. Благодаря этому привод можно устанавливать не над блоком цилиндров, а на его боковой поверхности. В результате значительно уменьшается высота двигателя, а для охлаждения и смазки деталей привода используются штатные системы автомобиля.
Теперь дело за моторостроителями. Если удастся воплотить идею в металле, в России появится приемистый и экономичный автомобиль, который к тому же будет удовлетворять самым жестким требованиям по чистоте выхлопа.
Именитый изобретатель Кристиан фон Кёнигсегг решил доказать всему автомобильному миру, что газораспределительный механизм, основа основ двигателя внутреннего сгорания, — не более чем лишняя дорогая деталь.
Будучи простым шведским мальчишкой, Кёнигсегг разбирал бытовые приборы, надеясь найти способ улучшить их. Говорят, что он первым придумал аудиоплееры с памятью на микросхемах, но в мире, увлеченном компакт-дисками, к нему никто не прислушался. Ему же приписывают идею защелкивающегося замка для напольного ламината. И вновь спустя несколько лет изобретение запатентовал кто-то другой. Правда это или нет, судить не возьмемся. Но сегодня к Кристиану прислушиваются очень внимательно, да и патентное право он выучил назубок.
Будучи простым шведским мальчишкой, Кёнигсегг разбирал бытовые приборы, надеясь найти способ улучшить их. Говорят, что он первым придумал аудиоплееры с памятью на микросхемах, но в мире, увлеченном компакт-дисками, к нему никто не прислушался. Ему же приписывают идею защелкивающегося замка для напольного ламината. И вновь спустя несколько лет изобретение запатентовал кто-то другой. Правда это или нет, судить не возьмемся. Но сегодня к Кристиану прислушиваются очень внимательно, да и патентное право он выучил назубок.
В 2005 году автомобиль, названный именем Кристиана фон Кёнигсегга, официально стал самым быстрым серийным авто на планете: эксперты Книги рекордов Гиннеcса зафиксировали скорость 388,87 км/ч. Koenigsegg CCXR стал лучшим в мире спорткаром по соотношению массы и мощности. Koenigsegg One:1 лидирует в номинации «лучший разгон», достигая скорости 300 км/ч всего за 11,92 с.
Пока самые эффективные на свете спорткары бьют рекорд за рекордом, их создатель разъезжает на стареньком Saab 9−5, хитро улыбаясь. Под капотом у «старичка» единственный в мире двигатель, у которого нет ни распределительного вала, ни кулачков, ни толкателей клапанов, ни пресловутого ремня ГРМ. И, в отличие от бешеных Koenigsegg, предназначающихся лишь богатым и знаменитым, моторы с индивидуальными приводами клапанов обещают стать первым по‑настоящему массовым творением шведского изобретателя.
Старенький Saab, которому досталась опытная версия ГРМ с независимыми клапанами, проехал с ней 60 000 км, повидав и летний зной, и 20-градусные морозы. Головку блока цилиндров сделали из оригинальной «саабовской», выбросив из нее все лишнее и проточив новые каналы для гидравлики и пневматики. Наши коллеги из Jalopnik.com прокатились на «старичке» и отметили, что на оборотах до 3000 об/мин он проявляет дизельные повадки — характерно постукивает клапанами и выдает бешеный крутящий момент.
Меж двух стихий
В головке блока цилиндров испытательного «Сааба», как и положено, трудятся 16 клапанов. Каждый из них приводится отдельным актуатором, и каждый получает команду на открытие или закрытие от компьютера управления двигателем независимо от других.
Актуатор — главное ноу-хау Freevalve, дочерней компании Koenigsegg. Снабдить каждый клапан индивидуальным приводом и управлять ими независимо друг от друга пробовали многие разработчики, среди которых немало автопроизводителей с мировым именем. Наиболее очевидное решение в виде линейных электродвигателей (соленоидов) не приводит к желаемому результату: небольшим моторам не хватает мощности, чтобы разогнать клапаны до нужных скоростей (20 000 открытий и закрытий в минуту), возникают проблемы с охлаждением и надежностью.
Кристиан фон Кёнигсегг не вдается в детали принципа работы своего привода, но с удовольствием объясняет общую концепцию «пневмогидравлоэлектрического актуатора». Открывает клапаны пневматика, а закрывает — гидравлика. И пневматическая, и гидравлическая системы постоянно находятся под давлением и готовы сообщить клапану максимум энергии. Задача электрического привода — лишь вовремя подавать к клапану воздух или масло. Проблема охлаждения и смазки при этом решается сама собой: наиболее нагруженные детали привода обслуживаются соответствующими системами самого ДВС.
Прелесть актуатора Freevalve в том, что он подходит практически для любого автомобильного или мотоциклетного двигателя. Будь то высокооборотный мотор гоночного мотоцикла, раскручивающийся до 16 000 об/мин, или грузовой дизель, тарахтящий на 3500 об/мин, один и тот же привод будет полностью соответствовать их нуждам. Клапан гоночного мотоцикла сделан из легкого сплава, поэтому энергия актуатора с легкостью разгоняет его до больших скоростей. Клапан грузовика крупный и тяжелый, однако и высокие скорости ему не нужны.
На фортепиано коромыслом
«Использовать традиционный распредвал вместо Freevalve — это все равно что играть на фортепиано коромыслом вместо пальцев», — утверждает фон Кёнигсегг. Что за проблемы хочет решить изобретатель, программируя поведение каждого клапана в отдельности? Перечислим их в порядке нарастания интересности.
Самое очевидное: для разных режимов работы двигателя (прежде всего скорости вращения коленвала) существует свой оптимальный состав топливовоздушной смеси, свои правильные моменты открытия и закрытия клапанов. Традиционно эта проблема решается с помощью механизма изменения фаз газораспределения (например, VTEC): весь распределительный вал слегка поворачивается относительно шестерни привода газораспределительного механизма (ГРМ), и все моменты открытия и закрытия клапанов смещаются вперед или назад.
Красный график демонстрирует кривую открытия впускного клапана, синий — выпускного. Хорошо видно, что клапаны максимально долго пребывают в полностью открытом положении, — графики имеют почти прямоугольный профиль, тогда как с обычным ГРМ они были бы больше похожи на параболы. Необходимые объемы газов проходят через клапаны Freevalve за меньший промежуток времени, чем обычно, поэтому короткие фазы впуска и выпуска не перекрываются. В этом кроется причина почти двукратного улучшения экологических показателей.
Проблема VTEC заключается в ограниченном количестве режимов, в то время как индивидуально управляемые клапаны позволяют пересматривать оптимальный набор параметров при любом, даже самом малом изменении оборотов. Но главное то, что Freevalve позволяет изменять не только момент, но и продолжительность открытия клапанов.
А что, если нам захочется гибко управлять мощностью двигателя, отключая часть цилиндров? В современных двигателях задача решается с помощью весьма сложного механизма: для каждого клапана предусматривается два кулачка, которые сменяют друг друга, сдвигаясь вдоль распредвала. Один кулачок обеспечивает штатную работу клапана, второй отвечает за работу цилиндра в «режиме ожидания». Клапаны Freevalve позволяют в любой момент включать любую программу для любого цилиндра без каких-либо механических ухищрений.
И все же главная проблема традиционного ГРМ кроется в эллиптической форме кулачка, благодаря которой клапан практически никогда не бывает открыт или закрыт полностью. Вместо этого он всегда или плавно открывается, или плавно закрывается, что снижает его пропускную способность. Мало того, эта особенность приводит к тому, что в определенные моменты впускные и выпускные клапаны оказываются открытыми одновременно, и это отрицательно сказывается на экологических характеристиках двигателя.
Клапаны Freevalve позволяют сделать головку блока цилиндров и сам двигатель намного компактнее. Но это далеко не единственное компоновочное преимущество. Можно увеличить количество клапанов на один цилиндр, разделив функции между ними. К примеру, направлять одну часть выхлопа к турбине нагнетателя, а другую — напрямую к катализатору, из экологических соображений. Специальные клапаны пригодятся и для того, чтобы превратить автомобиль в пневматический гибрид.
Кристиан фон Кёнигсегг демонстрирует кривую открытия клапанов на мониторе специального прибора. Она напоминает прямоугольник: клапан резко открывается, удерживается в открытом состоянии, а затем резко закрывается. Это вам не вечный грустный эллипс традиционного клапана. Особенно интересно, что кривая сохраняет свою угловатость даже на высоких оборотах (до 10 000 об/мин) — актуатору хватает мощности, чтобы открывать и закрывать клапан действительно быстро.
Пожалуй, именно последнее свойство в наибольшей степени поспособствовало тому, что тестовый двигатель со свободными клапанами показал впечатляющие результаты на испытаниях: он выдает на 30% больше крутящего момента, потребляет на 30% меньше топлива и дает 50%-ное сокращение вредных выбросов.
Долой каноны!
Freevalve — это больше, чем кажется. Во‑первых, система может в значительной мере изменить облик автомобиля. Распределительный вал и толкатели клапанов занимают много места в головке блока цилиндров, да и весят немало. Четырехцилиндровый двигатель с Freevalve размерами и весом напоминает трехцилиндровый. Если же учесть, что независимые клапаны дают значительный прирост крутящего момента, то можно и вовсе обойтись двумя цилиндрами. И тогда крохотный моторчик можно будет спрятать хоть под сиденьем.
Система позволяет в любой момент перевести двигатель на экзотический цикл работы, хоть Миллера, как на Mazda, хоть Аткинсона, как на Prius. Чего уж скромничать: при желании мотор может в мгновение ока стать двухтактным, почти двукратно нарастив мощность! Фон Кёнигсегг мечтает об автомобилях с двумя топливными баками и системами питания: для бензина и дизеля. Для перехода на биотопливо гибкость настроек также актуальна.
Но самая интересная фантазия изобретателя — это пневматический гибрид. Используя специальную конфигурацию клапанов, можно превратить ДВС в компрессор, который при торможении будет закачивать воздух в баллон, аккумулируя давление. Затем сжатый воздух можно нагнетать в цилиндры, разгоняя автомобиль, или использовать в качестве мощного аналога турбонаддува, кратковременно увеличивая мощность двигателя.
Пожалуй, самое неожиданное свойство двигателя с независимыми клапанами — надежность. Каждый водитель боится обрыва ремня ГРМ: если поршень «догонит» клапаны, то же самое произойдет и во всех остальных цилиндрах. Дорогостоящая головка блока цилиндров, а вместе с ней и поршни, и, возможно, шатуны с коленчатым валом окажутся серьезно повреждены.
А с Freevalve все просто: нет ГРМ — нет и проблем! Если же один цилиндр вдруг «стуканет» — все остальные останутся целы и невредимы.
Улыбается: "Несколько лет назад инженер GM сказал, что мы никогда не увидим двигатель без распредвала. В данный момент мы едем на машине без распредвала. Получается, что он ошибался". Добро пожаловать в будущее.
Под крылом Koenigsegg живет небольшая компания под названием Freevalve. То, чем они занимаются, просто невероятно. Видите ли, в двигателях есть такая вещь, как распредвал. Он имеет кулачки, которые во время вращения открывают и закрывают клапаны. Этот элемент присутствовал в двигателях с момента их зарождения.
Система работает беспрекословно, однако клапаны не всегда открыты или закрыты. Существует промежуточная стадия, которая не отличается эффективностью. Тем не менее, инженеры упорно думают, что распредвал - это единственное доступное решение. С чего это вдруг? Почему бы не сойти с ума и не придумать какую-нибудь абсурдную идею - например, связанную со сжатым воздухом?
Двигатель Freevalve избавился от распредвала и корпуса дроссельной заслонки, заменив их пневматическими актуаторами на каждом цилиндре. Подобная концепция уже довольно давно нашла свое применение. В кораблях используется электромагнитный механизм открывания клапанов. Это значит, что концепция себя зарекомендовала. Осталось уменьшить ее до масштаба чего-то более обыденного.
Данная система обеспечивает полностью независимый контроль над каждым цилиндром и каждым клапаном. Если у вас 4 клапана, то при необходимости открываются только два. С обычным распредвалом этого добиться нельзя. Freevalve может отключить один цилиндр, два, три и так далее.
Еще удивительно то, что система способна работать в разных режимах. На низких оборотах двигатель может работать как двухтактный, что существенно улучшает подачу мощности: 3000 об/мин ощущаются как 6000 об/мин. Двигатель может работать по циклу Миллера (как у Mazda Xedos 9): пусть он и сложный, но гораздо более эффективный. Ну и плюс ко всему двигатель может работать на нескольких типах топлива. Кристиан подчеркнул, что бензин и дизель смогут ужиться вместе. Конечно, речь не идет об их слиянии в единую смесь. Два отдельных бака были бы прекрасной идеей.
Однако самая впечатляющая часть: применительно к нынешним двигателям система обеспечит на 30% больше мощности и крутящего момента и на 50% больше экономии топлива. Она также позволит уменьшить размер двигателя. Так что построенный с нуля компактный двигатель сможет соперничать с двигателями гораздо большего объема.
Кристиан описал работу распредвала как "игру на пианино метлой", в то время как Freevalve - это подлинная "игра пальцами". У вас появится более высокий уровень контроля. Поскольку все элементы работают независимо, один цилиндр или актуатор может выйти из строя, а двигатель продолжит работать еще много лет.
В ходе короткой поездки на Saab 9-5, который Freevalve использовал для развития своей технологии, обозреватель портала Jalopnik чувствовал себя, как в нормальном автомобиле. Это ли не лучшая похвала для любого инновационного метода? На низких оборотах мотор немного ощущается как дизельный, но со временем его работа сглаживается. Система функционирует, однако программное обеспечение двигателя пока находится в стадии становления. Шведы должны его усовершенствовать, но у них есть время. Перед нами система пятого поколения, а на горизонте уже маячит шестое.
Кристиан не верит, что эта технология спасет двигатель внутреннего сгорания от вымирания, но она может существенно продлить ему жизнь. Только представьте, что эта идея могла бы принести плоды 10 лет назад. Где был бы ДВС сегодня?!
Очень спорная тема в интернете. Часть людей утверждает, что за этим будущее, а другая часть говорит, что тут нет ничего нового, все это уже давно известно и не делается массово, потому что не надежно, сложно и бессмысленно.
Да, есть еще такое мнение: сколько уже можно улучшать "древний механизм", нужно создавать что то принципиально новое! В любом случае, давайте посмотрим о чем идет речь и сделаем свои выводы.
В 2005 году автомобиль, названный именем Кристиана фон Кёнигсегга, официально стал самым быстрым серийным авто на планете: эксперты Книги рекордов Гиннеcса зафиксировали скорость 388,87 км/ч. Koenigsegg CCXR стал лучшим в мире спорткаром по соотношению массы и мощности. Koenigsegg One:1 лидирует в номинации «лучший разгон», достигая скорости 300 км/ч всего за 11,92 с.
Пока самые эффективные на свете спорткары бьют рекорд за рекордом, их создатель разъезжает на стареньком Saab 9−5, хитро улыбаясь. Под капотом у «старичка» единственный в мире двигатель, у которого нет ни распределительного вала, ни кулачков, ни толкателей клапанов, ни пресловутого ремня ГРМ. И, в отличие от бешеных Koenigsegg, предназначающихся лишь богатым и знаменитым, моторы с индивидуальными приводами клапанов обещают стать первым по-настоящему массовым творением шведского изобретателя.
Меж двух стихий
В головке блока цилиндров испытательного «Сааба», как и положено, трудятся 16 клапанов. Каждый из них приводится отдельным актуатором, и каждый получает команду на открытие или закрытие от компьютера управления двигателем независимо от других.
Актуатор - главное ноу-хау Freevalve, дочерней компании Koenigsegg. Снабдить каждый клапан индивидуальным приводом и управлять ими независимо друг от друга пробовали многие разработчики, среди которых немало автопроизводителей с мировым именем. Наиболее очевидное решение в виде линейных электродвигателей (соленоидов) не приводит к желаемому результату: небольшим моторам не хватает мощности, чтобы разогнать клапаны до нужных скоростей (20 000 открытий и закрытий в минуту), возникают проблемы с охлаждением и надежностью.
Кристиан фон Кёнигсегг не вдается в детали принципа работы своего привода, но с удовольствием объясняет общую концепцию «пневмогидравлоэлектрического актуатора». Открывает клапаны пневматика, а закрывает - гидравлика. И пневматическая, и гидравлическая системы постоянно находятся под давлением и готовы сообщить клапану максимум энергии. Задача электрического привода - лишь вовремя подавать к клапану воздух или масло. Проблема охлаждения и смазки при этом решается сама собой: наиболее нагруженные детали привода обслуживаются соответствующими системами самого ДВС.
Прелесть актуатора Freevalve в том, что он подходит практически для любого автомобильного или мотоциклетного двигателя. Будь то высокооборотный мотор гоночного мотоцикла, раскручивающийся до 16 000 об/мин, или грузовой дизель, тарахтящий на 3500 об/мин, один и тот же привод будет полностью соответствовать их нуждам. Клапан гоночного мотоцикла сделан из легкого сплава, поэтому энергия актуатора с легкостью разгоняет его до больших скоростей. Клапан грузовика крупный и тяжелый, однако и высокие скорости ему не нужны.
Дышать во все клапаны
Красный график демонстрирует кривую открытия впускного клапана, синий - выпускного. Хорошо видно, что клапаны максимально долго пребывают в полностью открытом положении, - графики имеют почти прямоугольный профиль, тогда как с обычным ГРМ они были бы больше похожи на параболы. Необходимые объемы газов проходят через клапаны Freevalve за меньший промежуток времени, чем обычно, поэтому короткие фазы впуска и выпуска не перекрываются. В этом кроется причина почти двукратного улучшения экологических показателей.
На фортепиано коромыслом
«Использовать традиционный распредвал вместо Freevalve - это все равно что играть на фортепиано коромыслом вместо пальцев», - утверждает фон Кёнигсегг. Что за проблемы хочет решить изобретатель, программируя поведение каждого клапана в отдельности? Перечислим их в порядке нарастания интересности.
Самое очевидное: для разных режимов работы двигателя (прежде всего скорости вращения коленвала) существует свой оптимальный состав топливовоздушной смеси, свои правильные моменты открытия и закрытия клапанов. Традиционно эта проблема решается с помощью механизма изменения фаз газораспределения (например, VTEC): весь распределительный вал слегка поворачивается относительно шестерни привода газораспределительного механизма (ГРМ), и все моменты открытия и закрытия клапанов смещаются вперед или назад.
Проблема VTEC заключается в ограниченном количестве режимов, в то время как индивидуально управляемые клапаны позволяют пересматривать оптимальный набор параметров при любом, даже самом малом изменении оборотов. Но главное то, что Freevalve позволяет изменять не только момент, но и продолжительность открытия клапанов.
А что, если нам захочется гибко управлять мощностью двигателя, отключая часть цилиндров? В современных двигателях задача решается с помощью весьма сложного механизма: для каждого клапана предусматривается два кулачка, которые сменяют друг друга, сдвигаясь вдоль распредвала. Один кулачок обеспечивает штатную работу клапана, второй отвечает за работу цилиндра в «режиме ожидания». Клапаны Freevalve позволяют в любой момент включать любую программу для любого цилиндра без каких-либо механических ухищрений.
И все же главная проблема традиционного ГРМ кроется в эллиптической форме кулачка, благодаря которой клапан практически никогда не бывает открыт или закрыт полностью. Вместо этого он всегда или плавно открывается, или плавно закрывается, что снижает его пропускную способность. Мало того, эта особенность приводит к тому, что в определенные моменты впускные и выпускные клапаны оказываются открытыми одновременно, и это отрицательно сказывается на экологических характеристиках двигателя.
Кристиан фон Кёнигсегг демонстрирует кривую открытия клапанов на мониторе специального прибора. Она напоминает прямоугольник: клапан резко открывается, удерживается в открытом состоянии, а затем резко закрывается. Это вам не вечный грустный эллипс традиционного клапана. Особенно интересно, что кривая сохраняет свою угловатость даже на высоких оборотах (до 10 000 об/мин) - актуатору хватает мощности, чтобы открывать и закрывать клапан действительно быстро.
Пожалуй, именно последнее свойство в наибольшей степени поспособствовало тому, что тестовый двигатель со свободными клапанами показал впечатляющие результаты на испытаниях: он выдает на 30% больше крутящего момента, потребляет на 30% меньше топлива и дает 50%-ное сокращение вредных выбросов.
Три цилиндра, восемнадцать клапанов
Клапаны Freevalve позволяют сделать головку блока цилиндров и сам двигатель намного компактнее. Но это далеко не единственное компоновочное преимущество. Можно увеличить количество клапанов на один цилиндр, разделив функции между ними. К примеру, направлять одну часть выхлопа к турбине нагнетателя, а другую - напрямую к катализатору, из экологических соображений. Специальные клапаны пригодятся и для того, чтобы превратить автомобиль в пневматический гибрид.
Долой каноны!
Freevalve - это больше, чем кажется. Во-первых, система может в значительной мере изменить облик автомобиля. Распределительный вал и толкатели клапанов занимают много места в головке блока цилиндров, да и весят немало. Четырехцилиндровый двигатель с Freevalve размерами и весом напоминает трехцилиндровый. Если же учесть, что независимые клапаны дают значительный прирост крутящего момента, то можно и вовсе обойтись двумя цилиндрами. И тогда крохотный моторчик можно будет спрятать хоть под сиденьем.
Система позволяет в любой момент перевести двигатель на экзотический цикл работы, хоть Миллера, как на Mazda, хоть Аткинсона, как на Prius. Чего уж скромничать: при желании мотор может в мгновение ока стать двухтактным, почти двукратно нарастив мощность! Фон Кёнигсегг мечтает об автомобилях с двумя топливными баками и системами питания: для бензина и дизеля. Для перехода на биотопливо гибкость настроек также актуальна.
Но самая интересная фантазия изобретателя - это пневматический гибрид. Используя специальную конфигурацию клапанов, можно превратить ДВС в компрессор, который при торможении будет закачивать воздух в баллон, аккумулируя давление. Затем сжатый воздух можно нагнетать в цилиндры, разгоняя автомобиль, или использовать в качестве мощного аналога турбонаддува, кратковременно увеличивая мощность двигателя.
Пожалуй, самое неожиданное свойство двигателя с независимыми клапанами - надежность. Каждый водитель боится обрыва ремня ГРМ: если поршень «догонит» клапаны, то же самое произойдет и во всех остальных цилиндрах. Дорогостоящая головка блока цилиндров, а вместе с ней и поршни, и, возможно, шатуны с коленчатым валом окажутся серьезно повреждены.
А с Freevalve все просто: нет ГРМ - нет и проблем! Если же один цилиндр вдруг «стуканет» - все остальные останутся целы и невредимы.
Волк в овечьей шкуре
Старенький Saab, которому досталась опытная версия ГРМ с независимыми клапанами, проехал с ней 60 000 км, повидав и летний зной, и 20-градусные морозы. Головку блока цилиндров сделали из оригинальной «саабовской», выбросив из нее все лишнее и проточив новые каналы для гидравлики и пневматики. Наши коллеги из Jalopnik.com прокатились на «старичке» и отметили, что на оборотах до 3000 об/мин он проявляет дизельные повадки - характерно постукивает клапанами и выдает бешеный крутящий момент.