Система газораспределения VANOS

Сачала 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?

"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.