Изобретатель Кристиан фон Кёнигсегг доказал автомобильному миру, распредвал не нужен в двигателе — эта деталь лишняя. Двигатель без распредвала имеет место быть в автомобилестроении.
Краткая биография изобретателя
Кристиан родился в 1972 году в Стокгольме, Швеция. Еще в детстве любил разбирать бытовую технику с желанием что-то изменить в конструкции аппаратов, а в подростковом возрасте уже зарекомендовал себя в своем квартале мастером на все руки и талантливым умельцем.
Он первый предсказал что чипы вытеснят CD диски, даже хотел запатентовать проект этого устройства, но в то время это никого не интересовала.
А еще он изобрел замок для скрепления деревянных пластин, но его тоже никто не понял, даже отец, работающий в сфере деревообработки. В последствии подобный патент запатентовали другие фирмы и заработали на нем многие миллионы.
В 22 года он стал заниматься созданием автомобилей, основал компанию Koenigsegg Automotive AB, и в 2002 году был пущен в серию автомобиль Koenigsegg CC.
В 2005 году этот автомобиль занесен в Книгу рекордов Гиннеса, как самый скоростной серийный автомобиль (388 км/ч.). А его автомобиль Koenigsegg CCXR лидер по соотношению мощности к массе. Автомобиль марки Koenigsegg One1 лидер по разгону, он может разогнаться до скорости 300 км/ч. за 11,92 сек.
Между двух стихий
Сам Кристиан Фон Кёнигсегг ездит на стареньком Saab и хитренько улыбается. А причина его улыбки проста. У его автомобиля единственный в мире двигатель старой серии…. ВНИМАНИЕ! Без распредвала и газораспределительного механизма, ГРМ ремня и коромысел.
В двигателе «Сааба», точнее в его головке блока родные 16 клапанов. Но каждый клапан управляется отдельным узлом, и каждый этот прибор получает команду на закрытие или открытие клапана с блока управления двигателем независимо от других.
Это и есть главное ноу-хау — актуатор. Каждый клапан управляется таким приводом-актуатором. Узел представляет собой пневмо-гидравло-электрическую систему Кёнигсегга. Секрет в том, что пневматикой клапаны открываются, гидравликой закрываются.
Воздушная магистраль и гидравлическая находятся под постоянным давлением, они в постоянной готовности к отрытию или закрытию. Электрическая часть узла несет на себе управляющую функцию к тому или иному действию.
Оснащенные такой системой газораспределения двигатели способны развивать до 20000 оборотов в минуту с самой высокой степенью продувки и наполнения цилиндров топливной смесью.
Охлаждаются и смазываются эти узлы стандартными системами двигателя.
Самое, на мой взгляд, высочайшее достижение актуатора от дочерней фирмы Кёнигсегга «Freevalve» в том, что его можно установить практически на любой двигатель автомобиля и даже мотоцикла. И на высокооборотистый двигатель мотоцикла с оборотами 16000 и на автомобиль с дизельным двигателем с 3500 об/мин.
Дышать полными цилиндрами во все клапаны
Рассмотрим график работы клапанов. Мне он представляется фантастическим. Куда там десмодромному механизму…
Красный график показывает работу впускного клапана, то есть его открытие и закрытие. По нему видно, что нет никаких мягких парабол как в обычных двигателях, просто и гениально, открылся – закрылся и никаких пересечений с выпускным клапаном (синий график) на продувку. Графики не пересекаются и имеют почти прямые углы. Это фантастика!
Все объемы газов входят и выходят за меньший промежуток времени, чем в обычных двигателях, благодаря этому фазы впуска и выпуска не пересекаются. Благодаря этому в два, это факт !!!, в два раза улучшены показатели экологичности двигателя. Это действительно ПРОРЫВ!
Играть на фортепиано коромыслом
- Фон Кёнигсегг говорит, что использовать распредвал вместо Freevalve — это играть на пианино коромыслом, вместо того чтобы играть пальцами.
- Что запрограммировано изобретателем для каждого клапана?
- Перечислим в порядке важности:
- на всех режимах, не зависимо от оборотов двигателя, на впуске самый оптимальный объем топливной смеси, самые правильные режимы открытия и закрытия клапанов, что невозможно в классической системе ГРМ;
- система Freevalve позволяет менять параметры: момент и продолжительность открытия клапана. В этом отношении в обычной системе это невозможно, а здесь можно пересмотреть любой параметр;
- возможность легко управлять мощностью двигателя, отключать любой цилиндр, создавать для каждого цилиндра любую программу работы. В классике это можно делать, но только путем сложных механических операций, связанных с механическим переключением на кулачки другой конфигурации распредвала;
- здесь нет этого грустного эллиптического графика работы кулачков, когда плавно открываются и закрываются клапаны, нет моментов, когда одновременно открыт впускной и выпускной клапан. Кривых здесь нет, здесь только ломанные линии. Актуатор спокойно работает в таком режиме до 10000 об/мин;
- И теперь главное: на 30% выше крутящий момент, на 30% меньше потребление топлива и на 50% меньше вредного выхлопа!
//www.youtube.com/watch?v=OZWeNPi2XkE
Три цилиндра, восемнадцать клапанов
Внедрение актуаторов в конструкцию двигателя можно значительно сократить его размер. И это не всё. Можно увеличить количество клапанов на цилиндр, и даже разделить пути выхлопных газов, к примеру часть направить к турбине, а часть в глушитель. Часть клапанов можно использовать в систему компрессора.
Двигатель без распредвала. Долой стереотипы!
Что еще дает такая система. Ввиду того, что двигатель может быть компактнее, отсутствие распредвала дает экономию место, значит и дизайн кузова можно изменить.
А тот плюс, что нам подарен значительно больший момент, т.е. мощность, то необходимые лошадиные силы можно извлечь и из меньшего числа цилиндров, соответственно размер станет еще меньше. И маленький моторчик спрятать под сиденьем))).
Эта система в любой момент может быть установлена на любой двигатель любого производителя, выкинув распредвал со всеми причиндалами. Увеличить мощность на 30%, а это не мало!
Но самое экзотическое, перевести его в двухтактный, при этом в 2 раза увеличить мощность!!!… всего лишь просто переключив программу!
Фон Кёнигсегг работает над идеей автомобиля с двумя баками под разное топливо, и с разными системами питания, бензинового и дизеля, и даже с переходом на биотопливо.
Но верх фантазии Кёнигсегга конечно пневматический гибрид – это что-то! О чем он мечтает?
О том, чтобы по специальной программе настраивалась определенная конфигурация клапанов, при которой ДВС превращается в компрессор.
Принцип такой: при торможении двигателем, воздух закачивается в баллон, аккумулируя давление. А потом этот воздух использовать для движения или разгона автомобиля, так же использовать его в турбонаддуве, если нужно на время увеличить мощность двигателя.
Независимые клапаны, это еще и надежность. В такой компоновке не случится обрыв ремня ГРМ и поршня никогда не встретятся и не сломают друг друга.
Тот самый, старенький Saab, на котором ездит Кристиан, проехал уже 60000 км., испытал жару и мороз и очень не плохо себя чувствует. Его головка блока родная, но переделанная под независимые клапаны, с неё убрано все лишнее и проточены нужные каналы для пневматики и гидравлики.
Ощущение от тест драйва Saab: Ведет себя как дизель на 3000 об/мин., крутящий момент просто бешеный.
Моё мнение
Я в диком восторге от этого изобретения! Двигатель без распредвала!!! Какой потенциал настроек открывается.
Режимы работы двигателя можно сочинять как музыку.
А какие безумные показатели можно вытянуть из обычного двигателя!!!
Слов нет, друзья! Нет предела человеческому гению! Двигатель без распредвала, кто бы мог подумать, что это возможно!
Обязательно поделитесь с друзьями, которые понимают о чем идет речь, удивите новизной нового изобретения. Это действительно фантастика, воплощенная в реальность!
Компания Qoros начала испытания мотора Qamfree без распредвалов
Фирма Qoros, принадлежащая китайскому автопроизводителю Chery и израильскому холдингу Kenon, показала на автосалоне в Гуанчжоу ходовой образец двигателя внутреннего сгорания без распределительных валов. Опытный мотор Qamfree установлен под капотом серийного хэтчбека Qoros 3 и, по словам создателей, доведен до состояния, в котором его можно запускать в производство.
Новый агрегат построен на основе серийного турбомотора 1.6, разработанного для автомобилей Qoros австрийской компанией AVL. А оригинальная безвальная головка блока создана шведской фирмой FreeValve AB, принадлежащей Кристиану фон Кёнигсеггу, который также выпускает гиперкары марки Koenigsegg.
Вместо кулачков распределительных валов каждый из клапанов приводится электропневматическим актуатором. По сути, это пневмоцилиндр, давление в котором контролируется электроникой.
Благодаря этому клапаны можно открывать и закрывать практически в произвольный момент, свободно изменять их подъем, а также отключать цилиндры.
Такому двигателю не нужна дроссельная заслонка: вместо этого плавно меняется высота подъема клапанов. На моторе, построенном для фирмы Qoros, к каждому клапану ведет свой канал, причем половина выпускных каналов питает турбокомпрессор, а вторая половина идет в обход нагнетателя.
По словам Кристиана фон Кёнигсегга, это позволило не только отказаться от перепускного клапана в турбине, но и намного быстрее выводить каталитический нейтрализатор на рабочую температуру.
Тем самым можно одновременно снизить вредные выбросы и отказаться от «прекатализатора», обойдясь одним катализатором.
Степень сжатия безвального мотора может быть очень высока — от 12:1 до 14:1. При этом система впрыска используется самая обыкновенная, распределенная: топливо распыляется во впускные каналы.
По сравнению с непосредственным впрыском такая схема дешевле и позволяет снизить выбросы сажевых частиц. Фон Кёнигсегг утверждает, что рабочий процесс отточен до такой степени, что непосредственный впрыск двигателю просто не нужен.
А эффект дополнительного охлаждения камеры сгорания достигается продувкой между рабочими циклами.
По словам разработчиков, мотор Qamfree примерно на 20 кг легче аналогичного агрегата традиционной конструкции и немного компактнее за счет отсутствия привода распредвалов.
В компании FreeValve AB обещают снижение расхода топлива на 15%, а вредных выбросов — на 35 % (в цикле с холодным пуском) при полуторакратном увеличении отдачи. Мощность опытного двигателя составляет 240 л.с.
(+45%), пиковый крутящий момент — 320 Нм (+47%).
Впрочем, впереди еще долгий цикл испытаний, поэтому партнеры не назвали даже ориентировочного срока появления подобных моторов на серийных машинах.
Двигатель без распределительного вала. Инновационная система клапанов экономит 20% топлива
Электрогидравлическая, полностью изменяемая система клапанов, полное цифровое управление их открытия и закрытия, позволит уменьшить себестоимость производства двигателя. Результат — уменьшение цены автомобиля с ДВС.
До настоящего времени газообменные клапаны четырехтактных двигателей контролировались через приводы распределительных валов.
Несмотря на некоторую сложную дополнительную механику, гибкость такой системы с приводом от распределительного вала остается ограниченной.
В настоящее время компания Empa разработала инновационную систему клапанов с электрогидравлическим приводом, которая позволяет полностью свободно регулировать ход и время, в то же время будучи надежной и экономически эффективной.
Электрогидравлическая, полностью изменяемая система клапанов, полное цифровое управление их открытия и закрытия, позволит уменьшить себестоимость производства двигателя.
Стандарты выбросов ЕС были впервые введены в действие в декабре 1992 года, что привело к огромным изменениям в автомобильной промышленности.
С тех пор каждые пять лет, или около того, этот невероятно влиятельный набор стандартов ужесточается для автопроизводителей.
Это вынуждает их искать способы снижения вредных выбросов выхлопных газов, «выжимая» из капли бензина как можно больше, одновременно улучшая показатели мощности и производительности двигателя.
Очевидно, что полностью электрические транспортные средства являются золотым стандартом, когда речь идет об окружающей среде, но и переход к эпохе электромобилей, похоже, потребует больше времени, чем ожидалось.
Несмотря на стремление производителей перевести всю модельную линейку автомобилей на электрическую тягу, инженеры со всего мира продолжают совершенствовать двигатель внутреннего сгорания. Разработка группы исследователей из швейцарского государственного института Empa позволяет снизить расходы горючего на 20%.
Идея замены привода клапанов с распределительным валом, который блокирует время открытия, закрытия и измерения подъема впускных и выпускных клапанов, привлекает большое внимание.
Грубые, механические изменения фаз газораспределения, такие как Honda VTEC и недавно объявленная Hyundai система Continuously Variable Valve Duration, могут помочь в этом, но для того, чтобы получить максимальную отдачу от технологии, необходимо полностью отделить клапаны от коленчатого вала и достичь точного электронного управления, при открытии и закрытии впускного или выпускного клапана.
Двигатель Empa на испытательном стенде. Empa
Предложенная инженерами электрогидравлическая установка FlexWork позволяет отказаться от классического распределительного вала и значительно повысить эффективность ДВС.
Разработчики ставили перед собой цель создать надёжную и экономичную систему клапанов, стоимость производства которых существенно ниже в сравнении с системами на базе распредвала.
Технология FlexWork подразумевает управление клапанами посредством электромагнитных катушек. При подаче напряжения на обмотку, катушки открывают клапан.
При отключении напряжения клапан возвращается в закрытое положение при помощи пружины. В результате расходуется минимум энергии.
уменьшается вес движка, стоимость изготовления, происходит отказ от многих запчастей (например, не потребуется замена ремня ГРМ). Уменьшенный мотор можно ставить не только спереди, но и размешать сзади, что поменяет дизайн машин.
По сути эта система похожа на распределенный впрыск, управляемый ЭБУ. Где так же независимо управляются клапаны, и можно мгновенно корректировать момент открытия и длительность, ориентируясь на показания датчиков, что невозможно при классической схеме с распредвалами. Такая система позволяет оптимизировать работу двигателя на всех режимах – это разумно и перспективно.
Протестировав свою разработку на 1,4-литровом двигателе TSI Volkswagen, инженеры Empta выяснили, что их клапанная установка позволяет экономить до 20% топлива.
Испытания начались ещё в октябре 2018 года, и по свидетельству авторов проекта, двигатель успешно работает до настоящего времени. Один из самых многообещающих моментов в проекте FlexWork — низкая цена компонентов.
Это позволяет уменьшить себестоимость производства моторов и конечную цену на автомобили с двигателем внутреннего сгорания.
Электрогидравлическая клапанная система. Привод FlexWork в разрезе. Empa
Другой особенностью системы, установленной в Empa, является выбор гидравлической жидкости: вместо обычного масла можно использовать водно-гликолевую смесь, то есть охлаждающую воду двигателя.
Благодаря своим физическим свойствам, эта среда подходит для быстро переключающихся гидравлических систем, так как она жесткая и, следовательно, создает меньше гидравлических потерь. Это делает головку блока цилиндров полностью безмасляной, т.е.
можно использовать более дешевое моторное масло, при этом, менять его реже.
Выбирая рабочие параметры, время открытия и закрытия, а также подъем клапана для каждого цилиндра можно выбирать абсолютно без ограничений.
Это означает, что каждое рабочее состояние двигателя можно варьировать от цикла к циклу, например, с помощью интеллектуального управления нагрузкой, путем выбора количества остаточного газа, остающегося в цилиндре (рециркуляция отработавших газов), или путем отключения ненужных цилиндров без уведомления водителя.
Это делает двигатель легко адаптируемым к новым возобновляемым видам топлива. Кислородсодержащие топлива, такие как метанол или этанол, например, позволяют большему количеству остаточного газа оставаться в цилиндре.
Природный газ, биогаз и синтез-газ, вырабатываемый ветряной и солнечной энергией, обладают повышенными антидетонационными свойствами, и клапанная система также может гибко реагировать на это.
Кроме того, альтернативные концепции сгорания также могут быть реализованы сравнительно легко, например, однородное самовозгорание: топливно-воздушная смесь зажигается в нужный момент без искр зажигания.
Смесь сжигается практически без загрязнения окружающей среды.
Источник/ Источник
Концепт Qoros продемонстрировал мотор без распредвалов — ДРАЙВ
Прототип основан на модели Qoros 3 City SUV, но в данном случае это неважно, всё внимание тут — двигателю.
Технологию ДВС без распределительных валов (не путать с бесклапанными) много лет доводили до ума по меньшей мере десяток компаний, от Renault до BMW и от Valeo до Ricardo.
Но, похоже, в итоге успех улыбнётся шведам из FreeValve AB (это сестринская компания Koenigsegg Automotive AB), а первыми машинами с такими моторами могут оказаться… китайские Коросы.
Ведь именно фирма Qoros Auto совместно с FreeValve представила в Пекине концепт с одноимённой технологией.
Если предшественники шведов использовали для привода клапанов электромагниты или гидравлические системы, то сердце FreeValve — это пневмогидроэлектрический актуатор (Pneumatic-Hydraulic-Electric-Actuator, PHEA).
Разработка была начата ещё специалистами Кёнигсегга, которые перешли в отделившуюся компанию FreeValve. Причём первый их проект в этой области появился аж в 2000 году.
Как уверяют инженеры, им удалось решить технические проблемы, которые испытывали проектировщики прежних аналогичных систем. Прототип устройства шведские конструкторы в течение ряда лет успешно испытывали на универсале Saab 9-5.
Он прошёл 55 000 км с FreeValve, установленном на впуске, и затем ещё 10 000 км с FreeValve ещё и на выпуске. Благодаря Коросу эта система появилась на современном автомобиле.
В Китае разработку представляли её отцы. Слева — Кристиан фон Кёнигсегг, основатель и генеральный директор Koenigsegg Automotive и председатель совета директоров FreeValve, справа — Урбан Карлссон, глава FreeValve. Фирма Qoros поставила систему FreeValve на свою «турбочетвёрку».
При содействии FreeValve компания Qoros создала мотор Qamfree, который и водрузила на концепт.
Партнёры не привели полных данных, но отметили, что технология позволяет добиться независимого и очень точного контроля над положением каждого клапана при открытии и закрытии в течение всего цикла.
Беспрецедентный уровень гибкости настроек FreeValve PHEA превосходит прежние системы регулировки фаз и подъёма клапанов, а потому якобы позволяет добиться экономии топлива от 13 до 20%.
Фирма Qoros также показала в Пекине концепты 3 Q·LECTRIQ и 5 Q·LECTRIQ (на нижнем снимке его январский прототип, от пекинского, показанного слева, отличается бампером). Это электромобили, основанные, соответственно, на седане «тройке» и кроссовере «пятёрке».
Седан 3 Q·LECTRIQ ускоряется до сотни за 7,9 с, развивает максималку 162 км/ч и проходит на одной зарядке 350 км. Через быстрый зарядный порт наполнить севшую батарею можно на 80% за один час. В четвёртом квартале нынешнего года компания выведет на испытания предсерийные машины, а массовый выпуск модели стартует в 2017 году.
Кристиан фон Кёнигсегг заявил: «В ближайшее время приход технологии FreeValve PHEA окажется столь же большим скачком, как переход от карбюраторов к непосредственному впрыску топлива. Или даже более значительным». Жаль, разработчики не назвали точных сроков внедрения инновации в серию. Фирма Qoros изучит возможность появления системы на своих машинах, но пока — без конкретики.
Как работает двигатель без газораспределительного механизма
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.
РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
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.
РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
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.
РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
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.
РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
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.
РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
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.
РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
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.
РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
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.
РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
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.
РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
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.
РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
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.
РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
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.
РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
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.
Автомобильный двигатель без распределительного вала
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
- КЛАПАН АРХАНГЕЛЬСКОГО
- ОДИН ХОРОШО, А ДВА ЛУЧШЕ
- КОНКУРЕНТОСПОСОБНАЯ КОНСТРУКЦИЯ
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. 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. 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. 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.
Загрузка...
