Jak działa silnik bez pomiaru czasu?

Jako prosty szwedzki chłopiec Königssegg zdemontował urządzenia gospodarstwa domowego, mając nadzieję na znalezienie sposobu na ich ulepszenie. Mówią, że jako pierwszy wynalazł odtwarzacze audio z pamięcią na mikroukładach, ale w świecie zafascynowanym płytami CD nikt go nie słuchał. Przypisuje mu się pomysł zatrzasku na laminat podłogowy. I znowu, po kilku latach ktoś inny opatentował wynalazek. Czy to prawda, czy nie, nie oceniajmy. Ale dzisiaj słuchają chrześcijanina bardzo uważnie i nauczył się prawa patentowego na pamięć.

W 2005 roku samochód nazwany na cześć Christiana von Koenigsegga oficjalnie stał się najszybszym samochodem produkcyjnym na świecie: eksperci z Księgi Rekordów Guinnessa osiągnęli prędkość 388, 87 km / h. Koenigsegg CCXR stał się najlepszym samochodem sportowym na świecie pod względem masy i mocy. Koenigsegg One: 1 prowadzi w kategorii najlepszego przyspieszenia, osiągając prędkość 300 km / hw zaledwie 11, 92 sekundy.

Podczas gdy najskuteczniejsze samochody sportowe na świecie biją rekord po rekordzie, ich twórca jeździ starym Saabem 9-5, uśmiechając się przebiegle. „Starzec” pod maską jest jedynym silnikiem na świecie, który nie ma ani wałka rozrządu, ani krzywek, ani popychaczy, ani znanego paska rozrządu. I, w przeciwieństwie do szalonego Koenigsegga, przeznaczonego tylko dla bogatych i sławnych, silniki z pojedynczymi siłownikami zaworów zapowiadają się na pierwsze naprawdę ogromne dzieło szwedzkiego wynalazcy.

Stary Saab, który otrzymał eksperymentalną wersję pomiaru czasu z niezależnymi zaworami, pokonał z nim 60 000 km, widząc zarówno letnie upały, jak i mrozy o temperaturze 20 stopni. Głowica cylindra została wykonana z oryginalnego „Saaba”, wyrzucając z niej wszystko, co zbędne i wiercąc nowe kanały dla hydrauliki i pneumatyki. Nasi koledzy z Jalopnik.com przejechali „starca” i zauważyli, że przy prędkościach do 3000 obr / min wykazuje nawyki związane z olejem napędowym - jest to charakterystyczne dla gwintowania zaworów i daje szalony moment obrotowy.

Między dwoma elementami

Tak jak powinno być, 16 zaworów pracuje w głowicy cylindrów testu Saaba. Każdy z nich jest napędzany przez osobny siłownik i każdy otrzymuje polecenie otwarcia lub zamknięcia komputera sterującego silnikiem niezależnie od innych.

Siłownik jest kluczowym know-how Freevalve, spółki zależnej Koenigsegg. Wielu programistów próbowało wyposażyć każdy zawór w indywidualny siłownik i sterować nim niezależnie od siebie, w tym wielu znanych na całym świecie producentów samochodów. Najbardziej oczywiste rozwiązanie w postaci liniowych silników elektrycznych (elektromagnesów) nie prowadzi do pożądanego rezultatu: małe silniki nie mają wystarczającej mocy, aby przyspieszyć zawory do pożądanych prędkości (20 000 otworów i zamknięć na minutę), występują problemy z chłodzeniem i niezawodnością.

Christian von Koenigsegg nie zagłębia się w szczegóły zasady działania napędu, ale z przyjemnością wyjaśnia ogólną koncepcję „siłownika pneumohydraulicznego”. Pneumatyka otwiera zawory, a hydraulika zamyka. Zarówno systemy pneumatyczne, jak i hydrauliczne są stale pod ciśnieniem i są gotowe do dostarczenia zaworu maksymalnej energii. Zadaniem elektrycznego siłownika jest dostarczanie powietrza lub oleju do zaworu tylko na czas. Problem chłodzenia i smarowania rozwiązuje się sam: najbardziej obciążone części napędowe są obsługiwane przez odpowiednie układy samego silnika spalinowego.

Urok siłownika Freevalve polega na tym, że pasuje do niemal każdego silnika samochodowego lub motocyklowego. Niezależnie od tego, czy jest to szybki silnik wyścigowego motocykla, obracający się z prędkością do 16 000 obr / min, czy grzechotający silnik wysokoprężny z prędkością 3500 obr / min, ten sam napęd w pełni zaspokoi ich potrzeby. Zawór motocykla wyścigowego wykonany jest z lekkiego stopu, więc energia siłownika z łatwością przyspiesza go do dużych prędkości. Zawór ciężarówki jest duży i ciężki, ale nie wymaga dużych prędkości.

Na bujaku fortepianu

„Używanie tradycyjnego wałka rozrządu zamiast Freevalve jest jak gra na pianinie za pomocą rockera zamiast palców”, mówi von Koenigsegg. Jakie problemy chce rozwiązać wynalazca, programując zachowanie każdego zaworu osobno? Podajemy je w kolejności rosnącego zainteresowania.

Najbardziej oczywiste: dla różnych trybów pracy silnika (przede wszystkim prędkości obrotowej wału korbowego) istnieje jego własny optymalny skład mieszanki paliwowo-powietrznej, własne właściwe momenty otwierania i zamykania zaworów. Tradycyjnie ten problem rozwiązuje się za pomocą mechanizmu zmiany rozrządu zaworowego (na przykład VTEC): cały wałek rozrządu obraca się nieznacznie względem koła zębatego rozrządu (GRM), a wszystkie momenty otwarcia i zamknięcia zaworu są przesunięte do przodu lub do tyłu.

Czerwony wykres pokazuje krzywą otwarcia zaworu wlotowego, niebieski wykres pokazuje zawór wylotowy. Widać wyraźnie, że zawory pozostają w pozycji całkowicie otwartej tak długo, jak to możliwe - wykresy mają prawie prostokątny profil, podczas gdy przy konwencjonalnym taktowaniu bardziej przypominałyby parabolę. Wymagana objętość gazu przepływa przez zawory Freevalve w krótszym czasie niż zwykle, więc krótkie fazy wlotu i wylotu nie pokrywają się. Jest to powód prawie dwukrotnej poprawy wskaźników środowiskowych.

Problem VTEC polega na ograniczonej liczbie trybów, podczas gdy indywidualnie sterowane zawory pozwalają na przegląd optymalnego zestawu parametrów dla każdej, nawet najmniejszej zmiany prędkości. Ale najważniejsze jest to, że Freevalve pozwala zmienić nie tylko moment, ale także czas otwarcia zaworu.

Ale co, jeśli chcemy elastycznie kontrolować moc silnika, odcinając niektóre cylindry? W nowoczesnych silnikach problem rozwiązuje się za pomocą bardzo złożonego mechanizmu: dla każdego zaworu przewidziane są dwie krzywki, które zastępują się, poruszając się wzdłuż wałka rozrządu. Jedna krzywka zapewnia normalne działanie zaworu, druga odpowiada za cylinder w „trybie gotowości”. Zawory Freevalve umożliwiają włączenie dowolnego programu dla dowolnego cylindra w dowolnym momencie bez żadnych mechanicznych sztuczek.

A jednak główny problem tradycyjnego pomiaru czasu polega na eliptycznym kształcie krzywki, dzięki czemu zawór prawie nigdy nie jest otwarty ani całkowicie zamknięty. Zamiast tego zawsze albo otwiera się płynnie, albo zamyka płynnie, co zmniejsza jego przepustowość. Co więcej, ta cecha prowadzi do tego, że w pewnych momentach zawory wlotowe i wylotowe są jednocześnie otwarte, co niekorzystnie wpływa na działanie silnika na środowisko.

Zawory swobodnego przepływu sprawiają, że głowica cylindra i sam silnik są znacznie bardziej kompaktowe. Ale nie jest to jedyna zaleta układu. Możesz zwiększyć liczbę zaworów na cylinder dzieląc funkcje między nimi. Na przykład kieruj jedną część spalin do turbiny turbosprężarki, a drugą bezpośrednio do katalizatora, ze względów środowiskowych. Specjalne zawory są również przydatne, aby zmienić samochód w pneumatyczną hybrydę.

Christian von Koenigsegg pokazuje krzywą otwarcia zaworu na monitorze specjalnego urządzenia. Przypomina prostokąt: zawór otwiera się nagle, zostaje otwarty, a następnie gwałtownie się zamyka. To nie jest wieczna smutna elipsa tradycyjnej zastawki. Szczególnie interesujące jest to, że krzywa zachowuje swoją kątowość nawet przy dużych prędkościach (do 10 000 obr / min) - siłownik ma wystarczającą moc, aby bardzo szybko otworzyć i zamknąć zawór.

Być może ostatnia właściwość najbardziej przyczyniła się do tego, że silnik testowy z wolnymi zaworami pokazał imponujące wyniki testu: daje o 30% większy moment obrotowy, zużywa 30% mniej paliwa i zapewnia 50% redukcję szkodliwych emisji.

Precz z kanonami!

Freevalve to więcej niż się wydaje. Po pierwsze, system może znacznie zmienić wygląd samochodu. Wałek rozrządu i popychacze zaworów zajmują dużo miejsca w głowicy cylindrów i dużo ważą. Czterocylindrowy silnik o wymiarach i ciężarze Freevalve przypomina trzycylindrowy. Jeśli weźmiesz pod uwagę, że niezależne zawory dają znaczny wzrost momentu obrotowego, możesz całkowicie zrobić z dwoma cylindrami. A potem mały silnik można schować nawet pod siedzeniem.

System pozwala w dowolnym momencie przełączyć silnik na egzotyczny cykl pracy, przynajmniej dla Millera, jak na Mazdzie, przynajmniej Atkinsona, jak na Priusie. Po co być skromnym: w razie potrzeby silnik może w mgnieniu oka zostać popchnięty do pociągnięcia, zwiększając moc prawie dwukrotnie! Von Koenigsegg marzy o samochodach z dwoma zbiornikami paliwa i układami zasilania: benzyną i olejem napędowym. Aby przejść na biopaliwo, istotna jest także elastyczność ustawień.

Ale najciekawszą fantazją wynalazcy jest pneumatyczna hybryda. Dzięki specjalnej konfiguracji zaworów można przekształcić silnik w sprężarkę, która podczas hamowania pompuje powietrze do cylindra, kumulując ciśnienie. Następnie sprężone powietrze może być pompowane do cylindrów, przyspieszając samochód lub użyte jako potężny analog turbodoładowania, na krótko zwiększając moc silnika.

Być może najbardziej nieoczekiwaną właściwością silnika z niezależnymi zaworami jest niezawodność. Każdy kierowca obawia się pęknięcia paska rozrządu: jeśli tłok „złapie” zawory, to samo stanie się we wszystkich innych cylindrach. Kosztowna głowica cylindra, a wraz z nią tłoki i ewentualnie korbowody z wałem korbowym, zostaną poważnie uszkodzone.

A dzięki Freevalve wszystko jest proste: bez pomiaru czasu - bez problemów! Jeśli jeden cylinder nagle „zapuka” - wszystkie pozostałe pozostaną bezpieczne i zdrowe.

Artykuł „Bez pomiaru czasu - bez problemów” został opublikowany w czasopiśmie Popular Mechanics (nr 4, kwiecień 2016 r.).

Zalecane

Najszybszy samochód elektryczny na świecie: 1,5 sekundy do 100 km / h!
2019
Serpent Gorynych and urka: Roll the field. Pole minowe
2019
Jak zbudowana jest największa wywrotka
2019