Компания Koenigsegg, создавшая 1500-сильный гиперкар, которому не нужна трансмиссия, уже 15 лет ведет разработку инновационного двигателя внутреннего сгорания – без распределительного вала и дроссельной заслонки. «Мотор» разбирается в принципе работы чудо-агрегата.
Шведская компания FreeValve, партнер шведского производителя суперкаров Koenigsegg, опубликовала видеоролик, демонстрирующий схему работы принципиально нового двигателя внутреннего сгорания, где вместо традиционного распредвала используются управляемые электроникой актуаторы клапанов.
Шведы утверждают, что такой мотор способен потреблять топливо с практически любым октановым числом, отключать любое количество цилиндров, а также работать в любом из трех основных термодинамических циклов.
Разработкой принципиально нового мотора в начале 2000-х занялась компания Cargine, партнером которой с 2001 года стала фирма Koenigsegg.
Цель, которую поставили перед собой шведские инженеры, заключалась в создании экономичного и экологически чистого мотора нового поколения. За основу была взята концепция двигателя Кармело Скудери, в котором цилиндры делятся на рабочие и вспомогательные. Первые отвечают за сжигание смеси и выпуск, а вторые – за впуск и сжатие рабочей смеси. Правда, в отличие от мотора Скудери, шведы хотели реализовать эту схему внутри одного цилиндра, для чего им требовался быстрый и очень точный актуатор клапанов.
В 2000 году был подготовлен первый одноцилиндровый агрегат, способный работать на метане или водороде. Уровень выбросов оксидов азота у этого мотора оказался невероятно низким, однако автоиндустрию заинтересовал даже не сам мотор, а использовавшийся в нем толкатель.
Правда, первый вариант толкателя был полностью пневматическим и имел множество недостатков: он был слишком большой, слишком шумный и вибронагруженный. Поэтому инженеры решили добавить в актуаторы гидравлический элемент для фиксации клапанов и дополнительного демпфирования.
К 2003 году был подготовлен первый прототип актуатора, размеры которого уже позволяли использовать его на обычном двигателе, однако потребовалось еще несколько лет, в течение которых инженеры несколько раз меняли его конструкцию, прежде чем первый по-настоящему рабочий вариант системы электронного управления клапанами был готов к тестам.
Первый прототип двигателя без распредвалов установили на универсал Saab 9-5. Отдача этого мотора оказалась на 30 процентов выше серийного агрегата, а расход горючего уменьшился на треть. Понятно, что технология еще требовала доработки и адаптации под массовое применение, однако воодушевленные создатели надеялись уже в обозримом будущем запустить новые моторы в серийное производство. Двигатели без распредвалов должны были появиться на новом седане Saab 9-3 и кроссовере 9-4X — Cargine входила в альянс скандинавских компаний, которые пытались выкупить марку Saab во время кризиса 2008 года. Однако эта затея в итоге закончилась ничем, а «Сааб» продали китайцам.
Единственным автомобильным партнером Cargine с тех пор является фирма Koenigsegg. Ее глава Кристиан фон Кенигсегг как-то признался, что давно мечтает использовать технические наработки, сделанные его компанией, в массовых машинах. Возможно, он имел в виду как раз экономичный и эффективный двигатель без распредвала, к разработке которого он был причастен?
«Если представить, что мотор – это фортепьяно, а клапаны – его клавиши, то применять распределительный вал – все равно, что играть на инструменте шваброй, а не пальцами», – так описывает Кенигсегг преимущества своего мотора.
Своего – потому что с некоторых пор компания Cargine переименована в Freevalve и находится под контролем группы Koenigsegg. Над проектом мотора без распредвала, способного «играть любую музыку», трудятся девять инженеров.
Вместо распределительного вала открытием и закрытием клапанов управляют очень быстрые электромагнитные актуаторы по команде компьютера. В них используются пневматические пружины, способные менять собственную жесткость, и особые датчики контроля положения клапана. Последние контролируют положение клапанов сто тысяч раз в секунду с точностью до одной десятой миллиметра, а для их работы требуется примерно в сто раз меньше энергии, чем для аналогов других фирм.
Подобная конструкция позволяет бесконечно менять фазы газораспределения, а также в любой момент отключать и задействовать любое количество цилиндров в зависимости от конкретных нагрузок. Такой мотор может работать по традиционному термодинамическому циклу Отто, экономичному циклу Аткинсона, а также по более сложному циклу Миллера, обеспечивающему мотору еще более высокую эффективность и экономичность. Кроме того, этот мотор может моделировать цикл Хедмана с изменяемой степенью сжатия, управлять которой стало возможно именно благодаря клапанам с электронным управлением подъемом и временем открытия.
Современный агрегат, разработанный Freevalve, на 30 процентов мощнее и имеет более высокий крутящий момент при низких оборотах, по сравнению с аналогами того же объема, но при этом на 20-50 процентов экономичней и выбрасывает вдвое меньше вредных веществ в атмосферу. Наконец, он способен потреблять как бензин с различным октановым числом, так и дизельное топливо.
Кристиан фон Кенигсегг отмечает, что новые агрегаты можно сделать компактнее и легче традиционных ДВС за счет отказа от распредвалов, дроссельной заслонки и соответствующего навесного оборудования. Освободившееся пространство можно использовать для повышения безопасности или увеличения свободного пространства под капотом.
Действительно, баварцы первыми отказались от дроссельной заслонки, внедрив в газораспределительный механизм систему управления впускными клапанами с электронным управлением. Однако баварцы используют достаточно сложную механическую систему с дополнительным электромотором, а в конструкции Fiat MultiAir до сих пор не решена проблема с высокими насосными потерями.
Технология Freevalve, в свою очередь, способна управлять всеми клапанами независимо друг от друга, совмещая сильные стороны всех существующих термодинамических циклов в одном силовом агрегате.
Выпуск мотора без распредвалов считается экономически оправданным уже сейчас, несмотря на необходимость решения оставшихся проблем с высоким потреблением электроэнергии, уровнем шума и вибрациями. Но его главный недостаток – это высокая стоимость производства. Которая, впрочем, может снизиться в случае массового применения новой технологии.
Весной 2015 года Кристиан фон Кенигсегг заявил о том, что агрегат с бескулачковым механизмом привода клапанов уже практически готов и в скором времени будет запущен в серию. И если Кенигсегг сдержит свое обещание, то двигатель внутреннего сгорания получит шанс на новую жизнь перед тем, как мир окончательно будет завоеван электрокарами и гибридами.
Тем более, что новые двигатели могут использоваться не только в качестве основного силового агрегата – замены традиционного ДВC, но и в составе гибридных силовых установок. \m
motor.ru
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.
www.nkj.ru
Компания Koenigsegg, создавшая 1500-сильный гиперкар, которому не нужна трансмиссия, уже 15 лет ведет разработку инновационного двигателя внутреннего сгорания – без распределительного вала и дроссельной заслонки. «Мотор» разбирается в принципе работы чудо-агрегата.
Шведская компания FreeValve, партнер шведского производителя суперкаров Koenigsegg, опубликовала видеоролик, демонстрирующий схему работы принципиально нового двигателя внутреннего сгорания, где вместо традиционного распредвала используются управляемые электроникой актуаторы клапанов.
Шведы утверждают, что такой мотор способен потреблять топливо с практически любым октановым числом, отключать любое количество цилиндров, а также работать в любом из трех основных термодинамических циклов.
Разработкой принципиально нового мотора в начале 2000-х занялась компания Cargine, партнером которой с 2001 года стала фирма Koenigsegg.
Цель, которую поставили перед собой шведские инженеры, заключалась в создании экономичного и экологически чистого мотора нового поколения. За основу была взята концепция двигателя Кармело Скудери, в котором цилиндры делятся на рабочие и вспомогательные. Первые отвечают за сжигание смеси и выпуск, а вторые – за впуск и сжатие рабочей смеси. Правда, в отличие от мотора Скудери, шведы хотели реализовать эту схему внутри одного цилиндра, для чего им требовался быстрый и очень точный актуатор клапанов.
В 2000 году был подготовлен первый одноцилиндровый агрегат, способный работать на метане или водороде. Уровень выбросов оксидов азота у этого мотора оказался невероятно низким, однако автоиндустрию заинтересовал даже не сам мотор, а использовавшийся в нем толкатель.
Правда, первый вариант толкателя был полностью пневматическим и имел множество недостатков: он был слишком большой, слишком шумный и вибронагруженный. Поэтому инженеры решили добавить в актуаторы гидравлический элемент для фиксации клапанов и дополнительного демпфирования.
К 2003 году был подготовлен первый прототип актуатора, размеры которого уже позволяли использовать его на обычном двигателе, однако потребовалось еще несколько лет, в течение которых инженеры несколько раз меняли его конструкцию, прежде чем первый по-настоящему рабочий вариант системы электронного управления клапанами был готов к тестам.
Первый прототип двигателя без распредвалов установили на универсал Saab 9-5. Отдача этого мотора оказалась на 30 процентов выше серийного агрегата, а расход горючего уменьшился на треть. Понятно, что технология еще требовала доработки и адаптации под массовое применение, однако воодушевленные создатели надеялись уже в обозримом будущем запустить новые моторы в серийное производство. Двигатели без распредвалов должны были появиться на новом седане Saab 9-3 и кроссовере 9-4X — Cargine входила в альянс скандинавских компаний, которые пытались выкупить марку Saab во время кризиса 2008 года. Однако эта затея в итоге закончилась ничем, а «Сааб» продали китайцам.
Единственным автомобильным партнером Cargine с тех пор является фирма Koenigsegg. Ее глава Кристиан фон Кенигсегг как-то признался, что давно мечтает использовать технические наработки, сделанные его компанией, в массовых машинах. Возможно, он имел в виду как раз экономичный и эффективный двигатель без распредвала, к разработке которого он был причастен?
«Если представить, что мотор – это фортепьяно, а клапаны – его клавиши, то применять распределительный вал – все равно, что играть на инструменте шваброй, а не пальцами», – так описывает Кенигсегг преимущества своего мотора.
Своего – потому что с некоторых пор компания Cargine переименована в Freevalve и находится под контролем группы Koenigsegg. Над проектом мотора без распредвала, способного «играть любую музыку», трудятся девять инженеров.
Вместо распределительного вала открытием и закрытием клапанов управляют очень быстрые электромагнитные актуаторы по команде компьютера. В них используются пневматические пружины, способные менять собственную жесткость, и особые датчики контроля положения клапана. Последние контролируют положение клапанов сто тысяч раз в секунду с точностью до одной десятой миллиметра, а для их работы требуется примерно в сто раз меньше энергии, чем для аналогов других фирм.
Подобная конструкция позволяет бесконечно менять фазы газораспределения, а также в любой момент отключать и задействовать любое количество цилиндров в зависимости от конкретных нагрузок. Такой мотор может работать по традиционному термодинамическому циклу Отто, экономичному циклу Аткинсона, а также по более сложному циклу Миллера, обеспечивающему мотору еще более высокую эффективность и экономичность. Кроме того, этот мотор может моделировать цикл Хедмана с изменяемой степенью сжатия, управлять которой стало возможно именно благодаря клапанам с электронным управлением подъемом и временем открытия.
Современный агрегат, разработанный Freevalve, на 30 процентов мощнее и имеет более высокий крутящий момент при низких оборотах, по сравнению с аналогами того же объема, но при этом на 20-50 процентов экономичней и выбрасывает вдвое меньше вредных веществ в атмосферу. Наконец, он способен потреблять как бензин с различным октановым числом, так и дизельное топливо.
Кристиан фон Кенигсегг отмечает, что новые агрегаты можно сделать компактнее и легче традиционных ДВС за счет отказа от распредвалов, дроссельной заслонки и соответствующего навесного оборудования. Освободившееся пространство можно использовать для повышения безопасности или увеличения свободного пространства под капотом.
Действительно, баварцы первыми отказались от дроссельной заслонки, внедрив в газораспределительный механизм систему управления впускными клапанами с электронным управлением. Однако баварцы используют достаточно сложную механическую систему с дополнительным электромотором, а в конструкции Fiat MultiAir до сих пор не решена проблема с высокими насосными потерями.
Технология Freevalve, в свою очередь, способна управлять всеми клапанами независимо друг от друга, совмещая сильные стороны всех существующих термодинамических циклов в одном силовом агрегате.
Выпуск мотора без распредвалов считается экономически оправданным уже сейчас, несмотря на необходимость решения оставшихся проблем с высоким потреблением электроэнергии, уровнем шума и вибрациями. Но его главный недостаток – это высокая стоимость производства. Которая, впрочем, может снизиться в случае массового применения новой технологии.
Весной 2015 года Кристиан фон Кенигсегг заявил о том, что агрегат с бескулачковым механизмом привода клапанов уже практически готов и в скором времени будет запущен в серию. И если Кенигсегг сдержит свое обещание, то двигатель внутреннего сгорания получит шанс на новую жизнь перед тем, как мир окончательно будет завоеван электрокарами и гибридами.
Тем более, что новые двигатели могут использоваться не только в качестве основного силового агрегата – замены традиционного ДВC, но и в составе гибридных силовых установок.
autoversty.com
Кристиан фон Кенигсегг 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.
Как ощущается машина с мотором без распредвала
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.
Как ощущается машина с мотором без распредвала
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.
Как ощущается машина с мотором без распредвала
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.
Как ощущается машина с мотором без распредвала
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.
Как ощущается машина с мотором без распредвала
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.
Как ощущается машина с мотором без распредвала
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?!
Как ощущается машина с мотором без распредвала
autoutro.ru
Читать оригинал публикации на motor.ru
Компания Koenigsegg, создавшая 1500-сильный гиперкар, которому не нужна трансмиссия, уже 15 лет ведет разработку инновационного двигателя внутреннего сгорания – без распределительного вала и дроссельной заслонки. «Мотор» разбирается в принципе работы чудо-агрегата.
Шведская компания FreeValve, партнер шведского производителя суперкаров Koenigsegg, опубликовала видеоролик, демонстрирующий схему работы принципиально нового двигателя внутреннего сгорания, где вместо традиционного распредвала используются управляемые электроникой актуаторы клапанов.
Шведы утверждают, что такой мотор способен потреблять топливо с практически любым октановым числом, отключать любое количество цилиндров, а также работать в любом из трех основных термодинамических циклов.
Разработкой принципиально нового мотора в начале 2000-х занялась компания Cargine, партнером которой с 2001 года стала фирма Koenigsegg.
Цель, которую поставили перед собой шведские инженеры, заключалась в создании экономичного и экологически чистого мотора нового поколения. За основу была взята концепция двигателя Кармело Скудери, в котором цилиндры делятся на рабочие и вспомогательные. Первые отвечают за сжигание смеси и выпуск, а вторые – за впуск и сжатие рабочей смеси. Правда, в отличие от мотора Скудери, шведы хотели реализовать эту схему внутри одного цилиндра, для чего им требовался быстрый и очень точный актуатор клапанов.
В 2000 году был подготовлен первый одноцилиндровый агрегат, способный работать на метане или водороде. Уровень выбросов оксидов азота у этого мотора оказался невероятно низким, однако автоиндустрию заинтересовал даже не сам мотор, а использовавшийся в нем толкатель.
Правда, первый вариант толкателя был полностью пневматическим и имел множество недостатков: он был слишком большой, слишком шумный и вибронагруженный. Поэтому инженеры решили добавить в актуаторы гидравлический элемент для фиксации клапанов и дополнительного демпфирования.
К 2003 году был подготовлен первый прототип актуатора, размеры которого уже позволяли использовать его на обычном двигателе, однако потребовалось еще несколько лет, в течение которых инженеры несколько раз меняли его конструкцию, прежде чем первый по-настоящему рабочий вариант системы электронного управления клапанами был готов к тестам.
Первый прототип двигателя без распредвалов установили на универсал Saab 9-5. Отдача этого мотора оказалась на 30 процентов выше серийного агрегата, а расход горючего уменьшился на треть. Понятно, что технология еще требовала доработки и адаптации под массовое применение, однако воодушевленные создатели надеялись уже в обозримом будущем запустить новые моторы в серийное производство. Двигатели без распредвалов должны были появиться на новом седане Saab 9-3 и кроссовере 9-4X — Cargine входила в альянс скандинавских компаний, которые пытались выкупить марку Saab во время кризиса 2008 года. Однако эта затея в итоге закончилась ничем, а «Сааб» продали китайцам.
Единственным автомобильным партнером Cargine с тех пор является фирма Koenigsegg. Ее глава Кристиан фон Кенигсегг как-то признался, что давно мечтает использовать технические наработки, сделанные его компанией, в массовых машинах. Возможно, он имел в виду как раз экономичный и эффективный двигатель без распредвала, к разработке которого он был причастен?
«Если представить, что мотор – это фортепьяно, а клапаны – его клавиши, то применять распределительный вал – все равно, что играть на инструменте шваброй, а не пальцами», – так описывает Кенигсегг преимущества своего мотора.
Своего – потому что с некоторых пор компания Cargine переименована в Freevalve и находится под контролем группы Koenigsegg. Над проектом мотора без распредвала, способного «играть любую музыку», трудятся девять инженеров.
Вместо распределительного вала открытием и закрытием клапанов управляют очень быстрые электромагнитные актуаторы по команде компьютера. В них используются пневматические пружины, способные менять собственную жесткость, и особые датчики контроля положения клапана. Последние контролируют положение клапанов сто тысяч раз в секунду с точностью до одной десятой миллиметра, а для их работы требуется примерно в сто раз меньше энергии, чем для аналогов других фирм.
Подобная конструкция позволяет бесконечно менять фазы газораспределения, а также в любой момент отключать и задействовать любое количество цилиндров в зависимости от конкретных нагрузок. Такой мотор может работать по традиционному термодинамическому циклу Отто, экономичному циклу Аткинсона, а также по более сложному циклу Миллера, обеспечивающему мотору еще более высокую эффективность и экономичность. Кроме того, этот мотор может моделировать цикл Хедмана с изменяемой степенью сжатия, управлять которой стало возможно именно благодаря клапанам с электронным управлением подъемом и временем открытия.
Современный агрегат, разработанный Freevalve, на 30 процентов мощнее и имеет более высокий крутящий момент при низких оборотах, по сравнению с аналогами того же объема, но при этом на 20-50 процентов экономичней и выбрасывает вдвое меньше вредных веществ в атмосферу. Наконец, он способен потреблять как бензин с различным октановым числом, так и дизельное топливо.
Кристиан фон Кенигсегг отмечает, что новые агрегаты можно сделать компактнее и легче традиционных ДВС за счет отказа от распредвалов, дроссельной заслонки и соответствующего навесного оборудования. Освободившееся пространство можно использовать для повышения безопасности или увеличения свободного пространства под капотом.
Действительно, баварцы первыми отказались от дроссельной заслонки, внедрив в газораспределительный механизм систему управления впускными клапанами с электронным управлением. Однако баварцы используют достаточно сложную механическую систему с дополнительным электромотором, а в конструкции Fiat MultiAir до сих пор не решена проблема с высокими насосными потерями.
Технология Freevalve, в свою очередь, способна управлять всеми клапанами независимо друг от друга, совмещая сильные стороны всех существующих термодинамических циклов в одном силовом агрегате.
Выпуск мотора без распредвалов считается экономически оправданным уже сейчас, несмотря на необходимость решения оставшихся проблем с высоким потреблением электроэнергии, уровнем шума и вибрациями. Но его главный недостаток – это высокая стоимость производства. Которая, впрочем, может снизиться в случае массового применения новой технологии.
Весной 2015 года Кристиан фон Кенигсегг заявил о том, что агрегат с бескулачковым механизмом привода клапанов уже практически готов и в скором времени будет запущен в серию. И если Кенигсегг сдержит свое обещание, то двигатель внутреннего сгорания получит шанс на новую жизнь перед тем, как мир окончательно будет завоеван электрокарами и гибридами.
Тем более, что новые двигатели могут использоваться не только в качестве основного силового агрегата – замены традиционного ДВC, но и в составе гибридных силовых установок. \m
lenta.co
16.02.2017, Просмотров: 420
Гиперкары Кенигсегг — это автомобили, производство которых началось совсем не давно, но они уже громко заявили о себе и нашли свое место в классе подобных авто. Таких моментов в истории было не мало, вот только заканчивались эти одиозные проекты крахом. Но Кенигсегг выжил и составил конкуренцию корифеям мира супер моторов.
Вот уже 15 лет инженеры и конструкторы Koenigsegg, работают над проектом безраспредвального двигателя, у которого не будет дроссельной заслонки. Но сам факт отсутствия дроссельной заслонки уже был доказан инженерами БМВ и Фиат, однако доработать до ума конструкцию они так и не смогли. Баварцы убрали заслонку, установив вместо нее электронную систему управления впускными клапанами. Проблема немцев была в том, что для реализации своего проекта они использовали дополнительный электромотор, что усложняло всю конструкцию и неуклонно вело к дополнительным поломкам. Инженеры Фиат столкнулись с другой проблемой, которую решить не могут до сих пор (высокие потери насоса). Шведы пошли по другому пути оставив баварцев с итальянцами на задворках истории, так как их система способна была управлять всеми клапанами по отдельности, независимо друг от друга.
Инженеры Кенигсегг решили модернизировать двигатель Скудери и реализовать все в одном цилиндре, но для этого им необходимо было разработать прогрессивную модель актуатора клапанов. Он должен быть быстрым, точным и без залипания. К 2000-му году они построили первый двигатель с подобной схемой работы, который потреблял метан и водород. Уровень выброса вредных газов в атмосферу был настолько низким, что ниже него только электромоторы. Всех сразу заинтересовал такой агрегат, а особенно его актуатор, хоть он и был громоздким, пневматическим, имел большую вибрацию и высокий уровень шума. Спустя 3 года инженеры его полностью модернизировали, добавили гидравлический фиксатор клапанов и уменьшили размеры. Прошло еще несколько лет модернизаций, пока полностью готовый прототип не удалось установить на стандартный двигатель. Первым таким автомобилем стал Сааб 95. Мощность двигателя увеличилась на 30%, расход топлива уменьшился пропорционально (тоже на треть).
В описании принципа работы своего мотора шведские конструкторы использовали забавную аллегорию. Они предлагали представить обычный двигатель в форме пианино и попробовать сыграть палкой или шваброй. А в двигателе Кенигсегг позиционировалось взаимодействие пальцев и клавиш напрямую, без посредника. Так же для пущей убедительности можно сравнить моновпрыск и систему распределительного впрыска, когда топливо впускается напрямую в рабочую зону цилиндра в обход распределительной рамки. Эффективность индивидуального воздействия на различные процессы в двигателе доказано уже давно и применяется у многих производителей. Но как заставить клапана впускать и выпускать что-либо без специального устройства, регулирующего все циклы? Для этого и нужны быстрые актуаторы (электронные толкатели).
Блок управления посылает сигнал на актуатор, который открывает и закрывает клапан. На толкателях стоят пневматические пружины с регулируемым уровнем жесткости и датчики положения клапана. Весь алгоритм работы цилиндров и всех вспомогательных систем двигателя контролируется компьютером, благодаря которому можно как угодно и сколько угодно раз менять фазы газораспределения. Можно отключать любое количество цилиндров в любое время.
Мотор может работать поочередно в разных циклах, в зависимости от поставленных задач и уровня нагрузки. Он может работать в стандартном режиме для всех ДВС, может быть экономичным, может суперэкономичным, может работать в цикле с изменяемой степенью сжатия (цикл Хедмана). Данные циклы не могут быть реализованы в рамках конструкции стандартного ДВС, поэтому производителям приходится выбирать. Например, знаменитый цикл Хедмана, который можно использовать только с наличием электронного управления подъема и времени открытия клапанов, может поочередно работать с принципом Отто (традиционный термодинамический цикл всех двигателей) или Аткинсона (повышенная экономия топлива).
Универсальность такого двигателя сказывается на том, что он может работать как на бензине с разным октановым числом, так и на дизельном топливе. Кроме того, он экономичнее на 30-50% процентов, мощнее на треть, у него выше крутящий момент, он меньше весит и компактнее размерами. Малый вес и компактные размеры при большей мощности и низком расходе, даст огромное преимущество гиперкарам Koenigsegg перед конкурентами. Нерешенным остается вопрос с уровнем шума, потреблением электроэнергии и вибрациями. Но и конечно стоимость установки. Цена на такие двигатели очень высока и снизить ее может только массовое производство на гражданских авто. Кроме того такой ДВС можно использовать не только в качестве основного, но как дополнительный в гибридных вариантах.
Если шведам удастся избавиться от высокого уровня шумов, вибрации и они смогут оптимизировать энергозатраты, то на агрегат будет высокий спрос, так как такой двигатель экономически оправдан и целесообразен. А при наличии стабильного спроса и массовости производства, цена может упасть до оптимальных показателей.
autoburum.com
Все знают шведского производителя гиперкаров Koenigsegg, но далеко не все слышали о его дочерней компании Freevalve. Приготовьтесь удивляться! Freevalve представил серийный двигатель без распредвалов. Если главной технологией в 80-х была система изменения фаз газораспределения, в 90-х – система впрыска топлива, достигшая своей кульминации в виде непосредственного впрыска в конце 2000-х, то будущее десятилетие явно за моторами Freevalve. Шведская компания собирается преодолеть еще один барьер за счет гибкости, а не компромисса.
Технологии регулируемых клапанов сегодня существуют, но ни одна из них не близка к возможностям этого двигателя. Самое важное здесь наверное то, что для адаптации данной технологии двигатели внутреннего сгорания не претерпевают каких бы то ни было кардинальных изменений, однако подобная модернизация в настоящее время обойдется слишком дорого.
Другие инженеры фокусируются на деактивации цилиндров и изменяемой степени сжатия, а ребятам из Freevalve нравится работать над верхней частью двигателя. Koenigsegg выяснил, что в вопросе управления клапанами есть еще много пространства для маневра, поэтому для данной конкретной цели была основана отдельная компания. Итак, давайте разбираться.
Что именно Freevalve делает по-другому? Как указано в описании, Freevalve – это двигатель без распредвала. Довольно невероятная классификация для поршневого двигателя, но в этом, собственно, и состоит его революционный характер. Этому мотору не нужен распредвал, так как каждый клапан управляется индивидуально. Он свободен от своих «коллег», на что и намекает имя Freevalve («свободный клапан»).
Идея заключается в том, чтобы сделать ДВС более эффективным во всех его рабочих фазах. Традиционные распредвалы – это компромисс: мы либо жертвуем экономией топлива ради высоких динамических характеристик, либо наоборот.
С новой технологией у инженеров появилась возможность сделать мотор эффективным на любых оборотах, и вам не нужно беспокоиться о неровном холостом ходе, вялом ускорении или плохой экономичности.
Звучит как нечто невозможное, но шведы это сделали, предварительно испытав технологию на разнообразных прототипах. Вместо распредвалов каждый клапан управляется отдельным актуатором, который в свою очередь управляется электроникой.
Насколько эта технология лучше и дороже ли она, чем классический механизм с распредвалом? Freevalve заявляет, что их система использует на 10% меньше энергии. Топливная эффективность вырастает более чем на 10%. Ну а самое большое преимущество – это сокращение выбросов.
Первые десятки или сотни тысяч двигателей с такой технологией естественно будут дороже своих традиционных эквивалентов, но постепенно ценовая ситуация выровняется.
А что если система выйдет из строя? Фанаты олдскукльных автомобилей наверняка интересуются, что произойдет с этой системой, если что-то пойдет не по плану? Нет никаких сомнений в том, что каждый двигатель может сломаться, и у каждой конструкции есть небольшой недостаток, который может привести к отказу, если оставить его без внимания.
Freevalve уверяет, что двигатель будет работать в нормальном режиме, если один или несколько актуаторов выйдут из строя, но уровень мощности на высоких оборотах будет слегка снижен. Если все совсем плохо, то у вас все равно будет так называемый «хромой режим», доступный даже тогда, когда 75% актуаторов отказали.
На самом деле маловероятно, чтобы сразу столько актуаторов вышли из строя единовременно. Ирония в том, что эта конструкция на самом деле даже надежнее обычной, так как при 75-процентной поломке клапанной группы на классическом моторе вы окажетесь в затруднительном положении. Более того, если хотя бы один из клапанов ведет себя «неправильно», то это отразится не только в потере мощности на высоких оборотах.
В случае драматичной поломки традиционному двигателю скорее всего понадобится переборка. С мотором Freevalve этого не потребуется. Он просто перестанет работать, и, к счастью, клапаны с поршнями не встретятся... Какой там сервисный интервал ремня ГРМ?
Это нечто большее, чем полностью изменяемые фазы газораспределения? Если вкратце, то ответ будет скорее положительный, поскольку каждый конкретный клапан может иметь различный подъем и во времени, и в позиции. Местоположение каждого клапана контролируется непрерывно (в реальном времени) с погрешностью 0,1 миллиметра.
Актуаторы, двигающие клапаны, работают с исключительной точностью, которая значительно превосходит системы обычного двигателя.
Более того, их срок службы соответствует сроку службы всего мотора. Техническое обслуживание не требуется. В компании заявляют, что они смоделировали сотни миллионов циклов без наличия существенного износа.
Использование гидравлических электронных актуаторов помимо распредвала устраняет необходимость в ремне или цепи ГРМ и даже регуляторе давления наддува на турбированных моторах.
Где купить? К счастью для простых смертных, эта технология дебютирует вовсе не в Koenigsegg. Первый двигатель такого типа вы обнаружите под капотом китайско-израильского хэтчбека Qoros 3 – машины, которая вряд ли претендует на серьезные продажи. Freevalve работал над своей технологией с 2000 года, поэтому несколько лишних месяцев или даже лет ожидания, пока технология не станет популярной, пройдут для них незаметно.
Шведы обещают нам более тихий и более экономичный мотор с лучшей кривой крутящего момента и регулируемой подачей мощности. Пожалуй, такой двигатель стоит ждать...
autoutro.ru
