Вопрос
Ppoggio
Вчера 18:21
Клапанные поезда Формулы - 1
В одном из постов говорилось о том, что клапанные механизмы «Формулы-1» могут быть пневматическими или магнитными. Существуют ли на рынке клапанные механизмы с магнитным или пневматическим приводом? Когда начали использовать такие клапанные механизмы? Означает ли это, что в них нет распределительных валов и они управляются компьютером?
Перевод вопроса с Mechanics Stack Exchange
Лицензия: CC BY-SA (2.5–4.0)
Оригинальный вопрос: https://mechanics.stackexchange.com/questions/24318/formula-1-valve-trains
1
Во-первых, вероятно, важно разобраться, для чего нужны клапаны и как они должны работать в четырёхтактном двигателе внутреннего сгорания.
Что делают клапаны
По сути, в двигателе есть впускные и выпускные клапаны, причём на каждый поршень приходится как минимум по одному клапану, но в болидах «Формулы-1» (и во многих современных дорожных автомобилях) используется по два клапана каждого типа. В следующем описании слово «клапан» будет употребляться в единственном числе, но следует понимать, что в многоклапанных двигателях клапаны работают синхронно, то есть независимо от того, один или два впускных клапана в двигателе, в каждый момент времени они находятся в одинаковом положении.
Впускной клапан пропускает топливно-воздушную смесь в цилиндр, когда поршень движется вниз (от клапана), а затем закрывается, чтобы смесь могла сжаться при движении поршня вверх. Затем смесь воспламеняется от искры, и в результате мини-взрыва поршень движется обратно вниз. Это рабочий ход. Наконец, поршень возвращается вверх, открывается выпускной клапан, и выхлопные газы выводятся из цилиндра.
Как они работают
Как должно быть понятно из приведённого выше описания, клапаны должны быть точно синхронизированы с движением поршней вверх и вниз. Если синхронизация нарушится, мощность двигателя снизится (при незначительном нарушении синхронизации), он вообще не будет работать (при серьёзном нарушении синхронизации) или выйдет из строя из-за того, что поршни будут врезаться в клапаны, гнуть или ломать их (в некоторых конструкциях). На протяжении многих десятилетий и по сей день в большинстве двигателей для опускания клапана (его открытия) используются кулачки, а для его повторного поднятия — пружины. Это недорогая, надёжная, эффективная и хорошо зарекомендовавшая себя конструкция, но у неё есть ограничения.
Давайте устроим гонки!
Когда обороты двигателя увеличиваются, клапаны должны работать быстрее. Согласно действующим правилам, болид «Формулы-1» может развивать скорость до 15 000 оборотов в минуту; в предыдущих сезонах машины развивали ещё более высокие обороты. У обычных дорожных автомобилей «красная зона» находится примерно на половине этого диапазона. («Красная зона» — это реальная красная линия на тахометре, которая указывает: «Если вы превысите этот показатель, двигатель может серьёзно пострадать!») Когда двигатель работает на такой высокой частоте, возникают проблемы с пружиной. Во-первых, она должна срабатывать очень быстро. Мы можем ускорить закрытие клапана, используя более жёсткую пружину, но тогда нам придётся тратить больше энергии на сжатие пружины при каждом обороте кулачка для закрытия клапана. Кроме того, было обнаружено, что на определённых оборотах двигателя, близких к резонансной частоте пружины, клапаны закрываются не так быстро, как должны, поэтому в некоторых гоночных двигателях используются две или три концентрические пружины с разными резонансными частотами, чтобы решить эту проблему.
Весна в Париже
Одним из подходов, который изначально успешно применялся компанией Renault (да, я знаю, что она на самом деле базируется не в Париже, но я не смог удержаться и не использовать этот заголовок), а вскоре и всеми производителями двигателей для «Формулы-1», был пневматический клапан. По сути, это просто мембрана, заполненная инертным газом, например азотом, которая действует как пружина, но быстрее. Кроме того, у них меньший вес, что всегда интересно гоночным инженерам. Имейте в виду, что хотя пневматические клапаны могут использоваться на более низких оборотах, проблема, которую они призваны решить, возникает на таких высоких оборотах, которые намного превышают те, что может выдержать семейный седан, поэтому они (пока) не используются в дорожных автомобилях. Существует также система под названием десмодромная, в которой, по сути, используются два кулачка: один открывает клапан, а другой закрывает его.
Насколько мне известно, он никогда не использовался в «Формуле-1»(Прости меня, Фанхио, ибо я согрешил! В Mercedes-Benz W196 1954 года использовались десмодромные клапаны.), а основным пользователем является компания Ducati, производящая мотоциклы. Это уже достаточно длинная история, поэтому я не буду описывать её здесь.Можем ли мы сделать ещё лучше?
Система газораспределения, которую я описал, работает хорошо, но это компромиссное решение. Время и продолжительность открытия каждого клапана зависят от формы кулачков распределительного вала и частоты вращения двигателя. В определённой точке диапазона оборотов двигателя конкретный распределительный вал обеспечивает оптимальную продолжительность и время открытия, но только в этой точке. При любой другой частоте вращения двигателя эффективность, мощность или и то, и другое будут неоптимальными. В идеале нам бы хотелось лучше контролировать клапаны, чтобы обеспечить идеальные настройки при нескольких значениях частоты вращения.
Как мы можем улучшить управление клапанами?
Есть несколько способов решить эту проблему. Один из простых способов — установить по два кулачка на каждый клапан и использовать привод, который меняет, какой из них фактически открывает клапан. По сути, именно это и делает система VTEC от Honda. Мы можем добиться ещё большего, постоянно изменяя фазы газораспределения, как это делают системы VVT-i от Toyota, VANOS от BMW и Variocam от Porsche. Все они имеют возможность немного изменять фазы газораспределения, чтобы двигатель работал с максимальной мощностью в гораздо более широком диапазоне оборотов.
Это хорошо, но мы можем пойти ещё дальше. Ещё лучше было бы полностью отказаться от кулачков и использовать, например, соленоид с компьютерным управлением. Очевидно, что и соленоид, и управляющий им компьютер должны будут в точности воспроизводить синхронизацию, которая в настоящее время обеспечивается механически с помощью кулачков, но это даёт значительное потенциальное преимущество как в плане снижения веса, так и в плане чрезвычайно гибкого управления, позволяющего динамически регулировать время открытия клапанов в любой момент. Однако добиться надёжной работы оказалось очень сложно, поэтому серийные двигатели, использующие эту технологию, пока не выпускаются. По слухам, компания Koenigsegg близка к этому, но мало кто из нас сможет позволить себе такой автомобиль.
Какая система регулируемых клапанов используется в «Формуле-1»?
Ответ может вас удивить: ни один из них. Если вы прочитаете Технический регламент Формулы-1 2016 года (а кто его не читает?!), то увидите следующее:
Веди машину с гордостью!
Вот и всё. Несмотря на то, что в двигателях «Формулы-1» используется множество крутых технологий, в том числе пневматические «пружины» клапанов, вы можете с самодовольным видом ехать по улице на своей серой «Хонде Прелюд» 1999 года с отсутствующим крылом и помятым капотом, зная, что в вашем двигателе используется технология, которой нет ни в одном современном болиде «Формулы-1», — система изменения фаз газораспределения.