В сообщении было заявление о том, что клапанные механизмы Формулы-1 могут быть пневматическими или магнитными. Существуют ли на рынке клапанные механизмы с магнитным или пневматическим приводом? Когда они начали использовать такие клапанные механизмы? Означает ли это, что они не имеют распределительных валов и управляются компьютером?
Во-первых, вероятно, важно рассмотреть, что делают клапаны и как они должны работать в четырехтактном двигателе внутреннего сгорания.
По сути, есть впускные и выпускные клапаны, как минимум по одному на поршень, но в автомобилях F1 (и во многих современных дорожных автомобилях) используется по два клапана каждого. В следующем описании слово «клапан» будет использоваться в единственном числе, но следует понимать, что в многоклапанных двигателях клапаны работают синхронно, то есть независимо от того, имеет ли двигатель один или два впускных клапана, они находятся в одном и том же положении в каждом моментально во времени.
Впускной клапан пропускает топливно-воздушную смесь в цилиндр, когда поршень движется вниз (от клапана), а затем закрывается, так что смесь может быть сжата поднимающимся поршнем. Затем он воспламеняется от искры, и в результате мини-взрыва поршень снова опускается. Это силовой удар. Наконец, поршень возвращается в исходное положение, когда открывается выпускной клапан, и выхлопной газ выталкивается из цилиндра.
Как должно быть очевидно из приведенного выше описания, клапаны должны быть точно синхронизированы с работой поршней, перемещающихся вверх и вниз. Если бы они вышли из синхронизации, двигатель имел бы меньшую мощность (если они немного сбились по времени), или вообще не работал бы (если они сильно сбились по времени), или разрушил бы двигатель, заставив поршни врезаться в клапана, погнуть или сломать клапаны (в некоторых конструкциях). В течение многих десятилетий и до настоящего времени в большинстве двигателей используются кулачки, чтобы толкать клапан вниз (открывая его), и пружины, чтобы снова закрыть клапан. Это недорогой, надежный, эффективный и хорошо зарекомендовавший себя дизайн, но у него есть ограничения.
Когда обороты двигателя повышаются, клапанам приходится работать быстрее. Автомобиль F1 рассчитан на вращение до 15 000 об / мин в соответствии с действующими правилами; автомобили предыдущих сезонов разгонялись еще выше. Типичные дорожные автомобили имеют «красную линию» примерно вдвое меньше. («Красная линия» относится к фактической красной линии на тахометре, которая предназначена для обозначения «если вы превысите эту точку, вероятно серьезное повреждение двигателя!») Когда двигатель вращается так быстро, пружина становится проблемой.. Во-первых, нужно действовать очень быстро. Мы можем заставить его закрыть клапан быстрее, используя более жесткую пружину, но тогда нам нужно будет тратить больше энергии на сжатие пружины каждый раз, когда кулачок поворачивается, чтобы закрыть клапан. Кроме того, было обнаружено, что при определенных оборотах двигателя, близких к резонансной частоте пружины, клапаны закрываются не так быстро, как должны, поэтому в некоторых гоночных двигателях для преодоления этого препятствия используются две или три концентрические пружины с разными резонансными частотами.
Одним из подходов, который изначально успешно использовался Renault (да, я знаю, что они на самом деле не базируются в Париже, но я не мог удержаться от использования заголовка), а вскоре после этого всеми производителями двигателей F1, был пневматический клапан. По сути, это просто диафрагма, заполненная инертным газом, таким как азот, который действует как пружина, но быстрее. У них также есть преимущество меньшего веса, которое всегда представляет интерес для гоночных инженеров. Имейте в виду, что, хотя пневматические клапаны могут использоваться при более низких оборотах, проблема, которую они призваны решать, заключается в таких высоких оборотах, намного превышающих те, которые может выдержать семейный седан, поэтому они (пока) не используются на дорогах. машины. Существует также система под названием « десмодромная » .Насколько мне известно, он никогда не использовался в F1 ( простите меня, Fangio, я согрешил! В Mercedes-Benz W196 1954 года использовались десмодромные клапаны), и основным пользователем на их мотоциклах является Ducati. Это уже достаточно долго, поэтому я не буду описывать это здесь.
Система кулачков, которую я описал, работает хорошо, но это компромисс. Время и продолжительность периодов, когда каждый клапан открыт, определяются формой кулачков распределительного вала и частотой вращения двигателя. В какой -то момент в диапазоне оборотов двигателя конкретный кулачковый вал обеспечивает оптимальную продолжительность и синхронизацию, но только в этот один момент. Для любой другой скорости двигателя она будет неоптимальной с точки зрения эффективности, мощности или того и другого. В идеале мы хотели бы улучшить управление клапанами, чтобы обеспечить идеальные настройки при более чем одном конкретном значении оборотов в минуту.
Есть несколько способов решить эту проблему. Один из простых способов сделать это — иметь два выступа кулачка на клапан и использовать привод, который изменяет, какой из них фактически открывает клапан. По сути, это именно то, что делает система Honda VTEC . Мы можем сделать еще лучше, непрерывно изменяя синхронизацию кулачка, что и делают системы Toyota VVT-i, BMW VANOS и Porsche Variocam. Все они имеют возможность немного изменять синхронизацию кулачков, чтобы двигатель работал с максимальной мощностью в гораздо более широком диапазоне скоростей двигателя.
Это хорошо, но мы можем представить, что пойдем еще дальше. Еще лучше было бы полностью исключить кулачок и использовать, например, соленоид под управлением компьютера. Очевидно, что и соленоид, и компьютер, управляющий им, должны были бы точно дублировать синхронизацию, которая в настоящее время обеспечивается механически кулачками, но у этого есть значительное потенциальное преимущество как в снижении веса, так и в чрезвычайно гибком управлении, позволяющем динамически регулировать момент за моментом. фаз газораспределения. Однако оказалось, что этого очень трудно добиться надежно, поэтому еще не было произведено ни одного серийного двигателя, в котором использовалась бы такая технология. Ходят слухи, что Koenigsegg близок, но немногие из нас смогут позволить себе один из них.
Ответ может вас удивить: ни один из них . Если вы прочитаете Технический регламент Формулы 1 2016 года (а кто не читает?!), вы увидите следующее:
5.9.2 Системы с изменяемым профилем фаз газораспределения и изменяемым профилем подъема клапана не допускаются.
Итак, у вас есть это. Несмотря на то, что в двигателях F1 есть много крутых технологий, в том числе «пружины» пневматических клапанов, вы можете самодовольно ехать по улице на своей серой Honda Prelude 1999 года выпуска с отсутствующим крылом и помятым капотом, зная, что ваш двигатель на самом деле включает в себя технологию, которой нет. Нынешняя машина F1 имеет переменную синхронизацию клапанов.
Зайд