Нет ГРМ — нет проблем или электронный актуатор вместо кулачка и распредвала

Хочется порадовать наших читателей чем- нибудь интересным в эти новогодние дни. Вот и решили рассказать вам о новых веяниях в двигателестроении. Прогресс не стоит на месте и вот уже инжекторные двигатели вытеснили моновпрыск, не говоря уже про карбюраторные.

А современные дизели невозможно представить без одной из следующих систем: Common Rail или насос-форсунка (индивидуальная насосная секция). Управляются все они соленоидами, получающими команду от блока управления, ежесекундно суммирующего множество данных от различных датчиков. Соленоиды способны обеспечить открытие/ закрытие клапанов управления данных деталей на всех режимах работы двигателя включая наиболее скоростные 6000 об/мин и более. Сказанное выше означает то, что современные автомобильные компьютеры способны обрабатывать достаточный объем информации, а пара электромагнит – механический клапан способны надежно работать при больших скоростях: 50 срабатываний в секунду и более.
И тут на горизонте всплывает вопрос, почему же мы все еще используем механический привод там, где уже возможно применение электромагнитного соленоида. Читатель спросит: «да где же?» и возможно сильно удивится, услышав ответ: «в ГРМ». Вы не удивлены?
Должно сказать следующее, что отдаленное подобие таких систем уже давно и довольно надежно работает в топливных системах двигателей “Perkins” и “CАТ”. Это электронно управляемые насос- форсунки с гидравлическим приводом (HEUI). Ну, нет там привода от кулачкового вала, как в других двигателях с индивидуальными насосными секциями или насос-форсунками. Нет и все. И ведь работает…
Перечислим основные минусы стандартного газораспределительного механизма:
Первое: жесткая привязка конструкции: например, если ГРМ двигателя рассчитан на четырехтактный цикл, он не может работать по двухтактному циклу.
Второе: для разных режимов работы двигателя (прежде всего скорости вращения коленвала) существует свой оптимальный состав топливовоздушной смеси, свои правильные моменты открытия и закрытия клапанов. В настоящее время эта проблема решается с помощью механизма изменения фаз газораспределения (VTEC): весь распредвал слегка поворачивается относительно шестерни привода ГРМ и все моменты открытия и закрытия клапанов смещаются от нулевого угла вперед или назад. Проблема данного механизма в ограниченности возможных режимов его применения.
Третье: клапана (впускной или выпускной) из-за профиля приводного кулачка находятся в полностью открытом состоянии лишь очень малый отрезок времени, остальное время - не беря в расчет фазу закрытия - они или плавно подымаются или также плавно опускаются. Схема их перемещения близка к синусоиде. Для улучшения характеристик производители вынуждены устанавливать по 3-4-5 клапанов на один цилиндр.
Четвертое: на определенных режимах впускной и выпускной клапаны вместе находятся в приоткрытом состоянии, при этом часть топливной смеси попадает в выпускную систему, уменьшая тем самым экономичность двигателя и увеличивая выбросы в атмосферу.
Пятое: (и, наверное, не последнее): каждый водитель боится обрыва ремня ГРМ и его последствий в виде вывода двигателя из строя и последующих затрат на дорогостоящий ремонт.
К чему мы все это рассказываем? А дело в том, что в Скандинавии ездит один довольно старый SAAB 9−5. И все бы ничего, но у его двигателя нет ни толкателей клапанов, ни кулачков, ни распредвала, ни его привода, короче, механизм ГРМ в его классическом понимании в двигателе у этого автомобиля отсутствует как класс. Хозяин автомобиля и разработчик новой системы - Кристиан фон Кенигсегг, личность в определенных кругах очень известная.
Система получила название Freevalve (т.е. свободный, независимый клапан). В головке блока цилиндров двигателя указанного автомобиля, как и на его конвейерных собратьях, установлены 16 клапанов, но каждый из них управляется индивидуальным актуатором, получая команду на открытие или закрытие клапана от блока управления двигателем. Конструкция актуатора, наверное, самое главное в управлении клапана Freevalve. Будет неверным сказать, что поставить на каждый клапан индивидуальный привод и управлять ими независимо друг от друга не пробовали раньше. Даже в Советском Союзе, говорят, такие работы проводились. Но наиболее очевидное решение в виде соленоидов (или по другому линейных электродвигателей) не приводило к желаемому результату: небольшим по мощности соленоидам не хватало мощности, чтобы придать клапанам необходимые скорости (до 8-10 тысяч возвратно поступательных перемещений в минуту), возникали проблемы с надежностью, управлением бортовой ЭВМ.

У конструкции Кенигсегга открывает клапана пневматика, а закрывает уже гидравлика. Обе системы (пневматическая и гидравлическая) постоянно находятся под давлением и готовы передать клапану максимум энергии. Задача электрического привода — лишь вовремя по указанию блока управления подавать к клапану воздух или масло. Проблемы смазки и охлаждения элементов системы решается сама собой: нагруженные детали приводов обслуживаются соответствующими системами самого двигателя.

В чем же преимущества актуатора Freevalve?

Первое: впускной или выпускной клапана могут открываться тогда, когда это необходимо, поведение каждого клапана может программироваться индивидуально. Сам двигатель в таком случае может работать и по 2- тактному циклу, и по 4- тактному; переходить из одного в другой, при необходимости полностью отключать работу цилиндра, тем самым плавно переходя от наибольшей долговечности к наивысшей отдачи мощности, от наибольшей экономичности при 4- тактном режиме, к наибольшей удельной мощности при 2- тактном.

Второе: необходимые объемы газов проходят через полностью открытые клапана за меньшие промежутки времени и, потому открытие впускного и выпускного клапанов между собой не пересекается, что значительно сокращает долю выбросов вредных веществ в атмосферу и увеличивает экологичность двигателя.

Третье: продолжительность нахождения клапана в максимальной точке подъема может быть сколь угодно долгим. График работы такого клапана в максимальной точке подъема напоминает прямую после некого успокоения, а в целом приближен к прямоугольному профилю в отличие от синусоиды у клапана с приводом обычного ГРМ.

Четвертое: универсальность. По слухам актуатор Freevalve подходит и для гоночных моделей двухтактных двигателей (до 15000 об/мин), и для тяжелых автомобильных дизелей (работающих в диапазоне 2500 об/мин и менее).

Таким образом, клапана Freevalve вкупе с инжектором или современными топливными системами дизельных двигателей позволяют в любой необходимый момент включить любую программу для любого цилиндра без каких-либо механических ухищрений. Вполне возможно, что двигатели с индивидуальными приводами клапанов могут стать по-настоящему массовым явлением.

На данный момент главный его недостаток – это высокая стоимость производства. Которая, впрочем, может снизиться в случае массового применения новой технологии. Ожидается, что в скором времени двигатели с данными приводами клапанов будут запущен в серию. И, вполне возможно, двигатель внутреннего сгорания получит шанс на новую жизнь перед тем, как мир будет завоеван другими движителями.