ДВС без ГРМ

Многие люди, понимающие устройство двигателя внутреннего сгорания (ДВС), скажут вам, что вынесенная в заголовок фраза - полнейший абсурд. Газораспределительный механизм (ГРМ) с двумя распредвалами, приводимыми во вращение от коленчатого вала, - пока неотъемлемая часть практически любого серийного ДВС. Распредвалы с сидящими на них кулачками обеспечивают своевременное открывание и закрывание подпружиненных впускных и выпускных клапанов цилиндров.

Для разных режимов работы двигателя (прежде всего различающихся числом оборотов) существует свой оптимальный состав топливовоздушной смеси и свои правильные моменты для открывания и закрывания клапанов. Традиционно проблема подстройки под режим решается с помощью механизма изменения фаз газораспределения (например, в хондовской системе VTEC): весь распределительный вал слегка поворачивается относительно шестерни привода ГРМ, и моменты открывания и закрывания всех клапанов смещаются вперёд или назад.

Проблема VTEC заключается в ограниченном количестве режимов, в то время как индивидуальное управление клапанами позволило бы применять оптимальный набор параметров при любом изменении числа оборотов, даже самом малом. А ещё важнее, что появилась бы возможность регулировать не только момент, но и продолжительность открытия клапанов.

Ранние опыты

Ещё в 1950-х начались опытно-конструкторские работы по оснащению клапанов поршневого ДВС индивидуальными электромагнитными приводами. В СССР они велись в МАДИ под руководством профессора В. М. Архангельского. Однако у простейшего варианта такого привода, где клапан открывался электромагнитом, а закрывался обычной клапанной пружиной, вскоре был выявлен целый ряд критических недостатков. В частности, масса клапана с элементом, который притягивается электромагнитом, оказалась намного больше, чем в традиционном ГРМ, так что механизм привода становился инерционным. Приходилось увеличивать жёсткость клапанной пружины, а это приводило к сильным ударам клапана о седло при закрывании и его быстрому выходу из строя. Кроме того, в середине XX века инженеры ещё не могли создать электронный блок управления. Использованное в работах Архангельского электромеханическое управление страдало целым рядом недостатков. Например, постоянно подгорали контакты реле, коммутировавшие большие токи в электромагнитах.

Поэтому исследователи переключились на вариант конструкции, в котором клапаны открывались и закрывались электромагнитами без участия пружин. В 1970-х над подобной схемой работали, например, в Тольяттинском политехническом институте под руководством профессора В. В. Ивашина. Распределительный вал был полностью исключён, а сила тока, необходимая для привода клапанов, уменьшена по сравнению с конструкцией Архангельского на порядок.

В 1980-х в НАМИ под руководством А. Н. Терёхина разрабатывали двигатель с электромагнитным приводом клапанов для автомобиля «Москвич-412». Там построили действующий макет, в котором на всех восьми клапанах использовались двусторонние электромагниты. В 1990-х эти работы остановились из-за прекращения финансирования.

В 2002 году компания BMW приступила к натурным испытаниям 16-клапанного двигателя с электромагнитным приводом клапанов. Аналогичные работы начали и другие именитые автопроизводители. Однако их технологии до сих пор не вышли в серийное производство.

Результаты есть!

В 2005-м шведский автомобиль Koenigsegg CCR, названный именем основателя автомобильной компании Кристиана фон Кёнигсегга, официально стал самым быстрым серийным авто на планете: эксперты Книги рекордов Гиннеcса зафиксировали скорость 388,87 км/ч. Другой вариант того же авто, Koenigsegg CCXR, признан лучшим в мире спорткаром по соотношению массы и мощности. Модель Koenigsegg One:1 лидирует в номинации «лучший разгон», достигая скорости 300 км/ч всего за 11,92 с. В сентябре 2019 г. стандартный 1110-сильный Koenigsegg Regera побил принадлежавший ранее Koenigsegg Agera RS рекорд разгона до 400 км/ч и последующей остановки: 22,87 с (разгон) и 8,62 с (остановка).

Тем временем сам создатель спорткаров-рекордсменов разъезжает на видавшем виды Saab 9-5. Под капотом у «старичка» двигатель, у которого нет ни распредвала, ни кулачков, ни толкателей клапанов, ни шкивов с ремнём ГРМ. Saab, оснащённый опытным образцом газораспределительной системы Freevalve с независимыми клапанами, проехал с ней уже десятки тысяч километров, повидав и летний зной, и двадцатиградусные морозы. Головку блока цилиндров авто сделали из оригинальной «саабовской», выбросив из нее всё лишнее и проточив новые каналы для гидравлики и пневматики.

Сам Кёнигсегг называет свою систему привода клапанов «пневмогидравлоэлектрическим актуатором». Открывает клапаны пневматика, а закрывает гидравлика. Обе системы постоянно находятся под давлением и готовы сообщить клапану максимальный импульс. Задача электрического привода - лишь вовремя подавать к клапанам воздух или масло. Проблема охлаждения и смазки наиболее нагруженных деталей привода решается соответствующими системами самого ДВС. Актуация клапанов возложена на компьютерный блок управления двигателем.

Привод Freevalve подходит практически для любого двигателя - будь то высокооборотный мотор гоночного мотоцикла, раскручивающийся до 16 тыс. об./мин, или грузовой дизель, тарахтящий на 3500 оборотах. Клапан мотоциклетного мотора сделан из лёгкого сплава, поэтому энергия привода разгоняет его быстро. Клапан дизеля большой и тяжёлый, однако высокие скорости ему не нужны.

На графике хорошо видно, что клапаны максимально долго пребывают в полностью открытом положении: кривые почти прямоугольны, тогда как с обычным ГРМ из-за эллиптической формы кулачков они больше были бы похожи на перекрывающиеся волны. В результате газы проходят через клапаны Freevalve за меньший промежуток времени, чем в обычном двигателе, а фазы впуска и выпуска не пересекаются. Отсюда - серьёзное улучшение экологических показателей ДВС. Особенно важно, что кривые сохраняют прямоугольную форму даже на высоких оборотах (до 10 тыс. об./мин) - приводу хватает мощности, чтобы действовать быстро. Похоже, именно благодаря этому тестовый двигатель со свободными клапанами показал на испытаниях впечатляющие результаты: он выдаёт на 30% больший крутящий момент, потребляет на 30% меньше топлива и обеспечивает 50-процентное сокращение вредных выбросов по сравнению с обычным.

Кто вперёд?

По-видимому, первым серийным седаном с клапанной системой Freevalve будет китайский Qoros 3. Под его капотом - турбированный 1,6-литровый мотор. Как утверждает производитель, двигатель способен выдать мощность 230 л. с. и крутящий момент 320 Н·м. Показатели практически такие же, как у двухлитрового (!) турбированного мотора от BMW Group.

Но Freevalve - не единственный вариант ГРМ со свободными клапанами. В отделе автомобильных силовых агрегатов Швейцарской федеральной лаборатории по материаловедению и технологиям (EMPA) разработан электрогидравлический (без пневматики) клапанный привод FlexWork. Установленный на серийный бензиновый мотор, он несколько месяцев проработал на тестовом стенде. Разработчики утверждают, что их система позволит экономить до 20% топлива на типичном легковом автомобиле, который эксплуатируется с небольшой нагрузкой на двигатель.

Клапан открывается гидравликой, которой управляет соленоид, регулирующий подачу гидравлической жидкости. При протекании тока сердечник соленоида сдвигается на необходимую величину за считанные миллисекунды. Когда ток отключается, клапан закрывается пружиной, возвращая в гидросистему большую часть энергии, затраченной на открывание. Такой механизм требует значительно меньших энергозатрат, чем традиционный ГРМ, что в сочетании с оптимизированным газораспределением и даёт упомянутую выше 20-процентную экономию топлива.

Система FlexWork позволяет изменять параметры газораспределения от цикла к циклу ДВС, регулировать количество остающихся в цилиндрах выхлопных газов (рециркуляцию), отключать не требующиеся при текущей нагрузке цилиндры. ДВС с такой клапанной системой легко адаптировать к новым видам горючего. Известно, что кислородсодержащие топлива, такие как метанол и этанол, позволяют оставлять в цилиндрах больше выхлопных газов. Отличными антидетонационными свойствами обладают природный газ и биогаз, а клапанная система легко под них настраивается. Даже возможно самозажигание топливовоздушной смеси без применения искровых свечей. При этом смесь сгорает почти без выделения вредных газов.

Ещё одна особенность системы EMPA - применение в качестве гидравлической жидкости не обычного масла, а охлаждающей жидкости двигателя (в просторечии - тосола). По физическим свойствам эта жидкость хорошо подходит для быстродействующих гидросистем. В результате головка блока цилиндров не нуждается в смазке, что позволяет удешевить двигатель и реже проводить его техобслуживание.