Система газораспределения - одна из наиболее быстро изменяющихся в современном двигателе.
Сначала распределительный вал "переехал" в головку цилиндров, потом появились многоклапанные моторы, и вот уже наступила пора изменяемых фаз газораспределения. Впрочем, от распределительного вала пока никуда не деться. Пока...
Зачем нужны все эти ухищрения? Ответ прост: требования к экономичности, токсичности, приспособляемости моторов год от года растут. Удовлетворить запросы непросто, так что замысловатые технические решения - осознанная необходимость. Уже очевидно, что будущее - за двигателями с непосредственным впрыском топлива, как дизельными, в чьих перспективах мало кто сомневается, так и бензиновыми, эпоха которых только началась. Между тем, задача системы газораспределения не изменилась - обеспечивать наилучшее наполнение цилиндра, продувку камеры сгорания и высокий крутящий момент в широком диапазоне оборотов. Последнего удалось достичь регулированием фаз - либо поворотом распределительного вала, либо с помощью дополнительных кулачков с измененным профилем. Однако даже такие сложные системы эффективны в довольно узких пределах. Согласитесь, что мысль об индивидуальном приводе каждого клапана просто обязана была прийти кому-нибудь в голову.
"Вредная" дроссельная заслонка.
Одной из самых совершенных конструкций газораспределительного механизма признана система Double VANOS, применяемая фирмой БМВ на рядных шестицилиндровых моторах машин новой третьей серии и спортивных М3. Здесь оба распределительных вала, управляющие соответственно впускными и выпускными клапанами, могут поворачиваться относительно начального положения, изменяя моменты начала впуска и выпуска (длина фаз, определяемая профилем вала, постоянна), а также продолжительность перекрытия клапанов (фаза, когда впускной и выпускной клапаны открыты одновременно). Но даже она создает оптимальные условия работы мотора только на полном дросселе. В иных режимах поток воздуха ограничивает дроссельная заслонка - именно она определяет количество воздуха, поступающее в двигатель, на основании которого электроника управления впрыском и зажиганием рассчитывает количество бензина и остальные параметры.
При работе двигателя на режимах частичной нагрузки от дроссельной заслонки один убыток - она создает во впускном трубопроводе разрежение, которое ухудшает наполнение цилиндров. Идеальным вариантом было бы открывать впускной клапан только на время, необходимое, чтобы достичь нужного наполнения цилиндра горючей смесью.
В результате появилась механическая система управления не только фазами, но и подъемом впускных клапанов. К уже стандартному Double VANOS добавился механизм, изменяющий высоту подъема впускных клапанов (рис. 1). Между распределительным валом 1 и каждой парой впускных клапанов 4 поместили дополнительный рычаг 3: в зависимости от положения его оси вращения изменяется закон движения клапанов. Положение оси, в свою очередь, задается при вращении эксцентрикового вала 2. Таким образом, и высота подъема клапанов, и, соответственно, продолжительность фазы впуска изменяются в зависимости от нажатия на педаль газа и дроссельная заслонка становится ненужной.
Проведенные испытания показали, что средний расход топлива двигателем без дроссельной заслонки, измеренный по методике EU 93/116, ниже на 10% по сравнению с обычным мотором, оснащенным только Double VANOS. Если в реальной эксплуатации велика доля режимов с частично открытой дроссельной заслонкой, то экономия может достигать даже 18%.
По утверждению специалистов фирмы, подобная система - возможный предел усовершенствования бензинового двигателя с впрыском во впускной трубопровод. Дальнейшее увеличение эффективности возможно только с помощью весьма экзотических конструкций, изменяющих, казалось бы, незыблемое - степень сжатия и рабочий объем двигателя.
От механического к электромагнитному
Можно ли улучшить наполнение цилиндров, не увеличивая число и размер клапанов, не удлиняя фазу впуска и не увеличивая подъем? Можно - если приводить клапаны не с помощью кулачков, а электромагнитным или гидравлическим приводом. При тех же времени открытия и высоте подъема определяющий параметр "время-сечение" будет больше, поскольку клапан открывается и закрывается значительно быстрее. Только благодаря этому можно увеличить крутящий момент двигателя примерно на 5%.
Опытный образец четырехцилиндрового мотора БМВ с электромагнитными клапанами и непосредственным впрыском бензина уже испытывают на стендах в Мюнхене. Привод клапанов выглядит следующим образом: подпружиненный клапан помещен между двумя электромагнитами, которые удерживают его в крайних положениях: закрытом или полностью открытом. Специальный датчик выдает блоку управления информацию о текущем положении клапана. Это необходимо, чтобы снизить до минимальной его скорость в момент касания седла. Количество воздуха, поступающего в цилиндр, определяется продолжительностью открытия клапана - высота подъема не регулируется.
Возможности системы практически ничем не ограничены: достаточно изменить программу управления клапанами, чтобы мотор с четырьмя клапанами на цилиндр в доли секунды стал двух- или трехклапанным; можно выборочно отключать цилиндры, эффективно тормозить двигателем при любых оборотах, на ходу изменять рабочий процесс и превращать четырехтактный мотор в двухтактный или шести-, даже в восьмитактный (на режимах с частичной нагрузкой) - такого шикарного инструмента для самых разнообразных исследований у двигателистов еще не было.
"Даймлер-Бенц" играет на дизеле
Ведет исследования в области индивидуального управления клапанами и компания "Даймлер-Бенц". Двигатель в лаборатории Ульриха Летше оборудован гидравлическим приводом клапанов (рис. 2). "Но многие поначалу неправильно понимают его работу, - говорит г-н Летше. - Они полагают, что клапаны приводятся только гидравлически".
На самом деле привод напоминает пружинный маятник - гидравлика служит лишь "спусковым крючком", после которого движением клапана управляет пружина. Для дизельного двигателя необходимы большая мощность и усилие привода, поскольку в момент открытия выпускного клапана в цилиндре еще достаточно большое давление.
Опытный двигатель Летше - одноцилиндровый, рабочим объемом около 2 л - собран на основе поршневой группы мотора "Мерседес-Бенц-Актрос". Максимальное число оборотов не превышает 2000 об/мин, но преимущества нового газораспределительного механизма очевидны. Фазы открытия впускных и выпускных клапанов оптимальны во всем диапазоне частот вращения и нагрузок, что позволяет экономить до 10% топлива и примерно на столько же уменьшить токсичность выхлопа. И хотя для дизельных двигателей грузовиков высокие обороты не нужны, гидропривод сохраняет работоспособность до 6000 об/мин, что делает возможным его применение и на легковых автомобилях.
Особенно привлекательным для грузовых автомобилей выглядит управление процессом торможения двигателем за счет варьирования ширины фазы выпуска, а также изменения рабочего объема многоцилиндровых моторов путем отключения цилиндров.
Далеко ли до рынка?
Разумеется, на этот вопрос никто из специалистов не дал прямого ответа - подобные сведения всегда держат в тайне до последнего дня. Если речь идет о моторе с электромагнитным приводом клапанов, то поклонников баварской фирмы можно огорчить: хотя экспериментальный двигатель внешне очень похож на серийный, до начала производства, по самым оптимистичным прогнозам, не меньше пяти лет. Иное дело мотор без дроссельной заслонки с механическим управлением подъемом клапанов - он может появиться на конвейере уже через пару лет.
"Мерседесовский" мотор - пока еще только лабораторная "морская свинка", но если улучшение экономических показателей оправдает усложнение конструкции, то ждать придется не так уж долго.
Однако самое главное впереди - варьирование характеристик поршневых моторов в невероятно широких пределах становится доступным человеку с компьютером, а экипаж XXI века окончательно превращается в ЭВМ на колесах. А наш старый знакомый - распределительный вал... уходит на пенсию, да не один, а вместе с дроссельной заслонкой.
