Автомобильный двигатель без распределительного вала

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.