Вообразите 1,5-литровый ВАЗовский 16-клапанник – без распредвалов. Под крышкой клапанной коробки – клапаны с пружинами, но кулачковых валов (с цепным или зубчатоременным приводом) нет. Вместо них над концами клапанных стержней сидят 8 загадочных блоков, к которым тянутся электропровода и тоненькие гидротрубопроводы высокого давления. Что-то вроде современной системы впрыска дизельного топлива common-rail – только речь идет не о питании двигателя, а о клапанном механизме. Бескулачковая система газораспределения в экспериментальном исполнении Lotus AVT (Active Valve Train – активный клапанный механизм).
Представьте себе автомобиль класса ВАЗовской «десятки» с 1,5-литровой «четверкой» AVT, способный разогнаться с места до 100 км/ч за 9 сек. С максимальной скоростью за 200 км/ч – и притом со средним расходом бензина (по методике EU) на уровне 3,5 л на 100 км пробега! Правда, тут не обойтись без устройства «старт-стоп» с маховичным (или навесным) альтернатор-стартером и ультраконденсаторами для запасания какого-то количества электроэнергии. Вряд ли какой дизель сравнится по экономичности, а уж что касается экологии, то свойства двигателей с воспламенением от сжатия хорошо известны.
Чудес, как известно, не бывает, и любая – даже самая прогрессивная – конструкция вписывается в рамки законов физики. И экспериментальный Lotus AVT вовсе не «вечный двигатель»; просто он оснащен необычным механизмом газораспределения, от которого так сильно зависит качество работы любого д.в.с. Как от обмена веществ, метаболизма у животных и растений (и у нас с вами). А механизм AVT как раз и дает исключительную свободу (в пределах законов природы, разумеется) для игры фазами впуска-выпуска; дорогого стоит.
 |
 |
 |
| Блок из 2-х исполнительных гидроцилиндров – один на 2 парных клапана (4-клапанное газораспределение) |
Эластичный и экономичный
Коль скоро есть техническая возможность изменять фазы газораспределения – в широких пределах, то они выбираются наивыгоднейшими, оптимальными для каждого режима работы двигателя (см. «Долгий путь к себе», «Турбо», 2002, №1-2, 3, 5). Узкие «на низах», широкие – при высокой частоте вращения вала. Скажем, при 1000 оборотов впускные клапаны лучше открывать где-нибудь на 12° после в.м.т. (по углу поворота коленчатого вала), а закрывать – уже на 6° после н.м.т. На полном «газу»; если же двигатель нужно нагрузить лишь на 10% от полной, то впуск начинается на 18° после в.м.т. и заканчивается на 108° после н.м.т. Далеко на такте сжатия – с обратным выбросом большей части топливовоздушной смеси во впускной трубопровод. Так называемый «5-тактный» цикл Atkinson’а/Miller’а, который позволяет отказаться от дроссельной заслонки.
А дросселирование на впуске, чтоб вы знали, крайне неприятное дело. Из-за него возникают насосные потери, которые попусту съедают около 10% горючего. Так, на «холостом» ходу двигатель легковушки сжигает добрую половину бензина только по милости прикрытой дроссельной заслонки; вреднейшая деталь в составе д.в.с. с искровым зажиганием [Между прочим, у двигателей с воспламенением от сжатия дросселирования на впуске нет (у них «качественное» регулирование нагрузки). Чем на 2/3 и объясняется высокая экономичность дизелей –а вовсе не повышенной степенью сжатия, как обычно считают.]. Знаменитый клапанный механизм BMW Valvetronic придуман исключительно для того, чтобы отменить дроссельную заслонку, и баварские моторы с искровым зажиганием впервые в истории обходятся без нее.
Фазы газораспределения все время оптимизируются; допустим, при 6 тыс. оборотов (полный «газ») впускные клапаны начинают открываться за 36° до в.м.т., а закрываются на 72° после н.м.т. Таким образом, впуск продолжается 288° (по углу поворота вала), в полной мере используется взаимный резонанс потоков воздуха и отработанных газов на выпуске. Эффективный газообмен, высокий крутящий момент и мощность. Если нужно, механизм AVT позволяет мотору прекрасно тянуть прямо от оборотов «холостого» хода; бесподобная эластичность.
И снова об экономии: на средних нагрузках двигатель переходит на «6-тактный» цикл: после сжатия следует… расширение (при закрытых клапанах) – и снова сжатие. Только потом на свечу дается искра, и совершается рабочий ход – один на 3 оборота вала. Топливовоздушная смесь хорошенько перемешивается и качественно сгорает; чистый плюс. А при малой нагрузке AVT поочередно отключает цилиндры – через один, через 2… Тем самым «четверка» начинает работать как 2-цилиндровый мотор, и т.д. Понятно, что равномерность хода ухудшается (не уравновешенность, а именно равномерность), зато сберегается драгоценное горючее [Классический вопрос: зачем отключать цилиндры? Ответ: при 50-процентной нагрузке лучше сжигать полную порцию топливовоздушной смеси в половине цилиндров, чем по половине порции – в каждом из них. Потери тепла намного меньше; термодинамика.] из невозобновимой нефти – и сокращаются выбросы вредных веществ.
И вообще фазы газораспределения оптимизируются лишь эпизодически ради мощности и крутящего момента, а как правило – в интересах экономии топлива и экологии. Организация внутренней рециркуляции отработанных газов и все такое. А впрочем, механизм AVT работает настолько гибко, что каждую секунду может менять тактику – в зависимости от обстоятельств. Стоит только отказаться от распредвалов с их раз и навсегда закостеневшими кулачками.
Экзотический цикл
А на самых низких нагрузках, на которых двигатель легковушки чаще всего и работает, – он переходит в режим HCCI (Homogeneous Charge Compression Ignition – воспламенение гомогенной смеси от сжатия). Своеобразный цикл – и не дизельный, и не Отто (то есть, с искровым зажиганием). Топливовоздушная смесь образуется заранее (на тактах впуска и сжатия) – причем тщательно перемешанная, однородная, гомогенная. Главное условие низкого образования вредных окислов азота (канцерогены) в процессе сгорания смеси. Пока все как у обычного Отто, но потом начинаются странности. Смесь сжимается в цилиндре, пока не воспламенится – самопроизвольно! От сжатия и повышения температуры, а также благодаря присутствию в цилиндре остаточных газов – от последнего рабочего хода. Остаточные газы горячие, а главное – в их составе есть так называемые свободные радикалы, активные «обломки» молекул (с неспаренными электронами), которые образовались в пламени предшествующего цикла и теперь инициируют воспламенение сжатой топливовоздушной смеси.
 |
| Диаграмма подъема впускного клапана с AVT (1000 мин-1): трапеция вместо обычной синусоиды. Исключительно выигрышно |
Воспламенение происходит не в отдельной точке (искра на электродах свечи), а сразу во всем объеме камеры сгорания – «объемный взрыв» [Что не есть хорошо: смесь горит слишком быстро, давление в цилиндре нарастает резко/ударно, двигатель HCCI работает жестко и шумно. Хуже плохого дизеля, поэтому цикл HCCI применим только при низкой нагрузке, когда топлива в цилиндры подается немного. Так он и нужен прежде всего при малой нагрузке, а при средней и высокой лучше всего обычный Отто]. Дело, однако, не в объеме, а в том, что в цикле HCCI воспламеняется и эффективно сгорает даже самая бедная смесь. Будь там хоть в 10 раз меньше горючего (кстати, совсем не обязательно бензина) против нормального, так называемого стехиометрического состава. Все равно вспыхнет и сгорит.
Цикл HCCI соединяет достоинства двигателей Дизеля и Отто (хотя и недостатков не лишен); с ним знакомы авиа- и автомоделисты, которым приходилось иметь дело с компрессионными моторчиками. Правильно организованный HCCI, с одной стороны, исключительно экономичен – как дизель. А с другой – весьма экологичен, поскольку (в отличие от дизеля) не страдает сажеобразованием и не выбрасывает больших количеств окислов азота.
Вроде как замечательное решение. К сожалению, нет в мире совершенства. Цикл HCCI дико капризен и неустойчив: регулировать момент самовоспламенения топливовоздушной смеси крайне сложно. Ведь она вспыхивает не от искры и не от впрыска топлива (как у дизелей) в строго контролируемый момент, а на ходе сжатия, – когда ей заблагорассудится. Может и вовсе не воспламениться… Момент самовоспламенения зависит от множества обстоятельств, среди которых одно из главных – температура смеси перед началом сжатия. Регулировать ее трудно, и обычный двигатель работать в режиме HCCI практически не способен. Исследования и эксперименты, которые ведутся по всему миру уже второй десяток лет, показали, что экзотический цикл удается обуздать, только если активно регулировать фазы впуска и выпуска. На каждом очередном обороте вала двигателя – и в каждом из цилиндров индивидуально.
Скажем, прием «рекомпрессии»: выпускные клапаны закрываются раньше, чем положено (до в.м.т.), и в цилиндре остается немалое количество горячих газов от предшествующего рабочего хода. Необходимо тонко дозировать количество остаточных газов; иначе самовоспламенение произойдет слишком рано до в.м.т. – либо слишком поздно после. Или же смесь и вовсе не вспыхнет… Электроника вполне справляется с регулированием фаз газораспределения, нужна лишь техническая возможность их изменения на каждом очередном обороте – независимо от предшествующего. Понятно, что кулачковый клапанный механизм так работать не может – в принципе. Нужен индивидуальный бескулачковый привод клапанов – электромагнитный или электрогидравлический. С электромагнитным клапанным механизмом эксперименты ведутся с конца прошлого века. А Lotus Engineering показывает работоспособный электрогидравлический привод.
 |
| Быстродействующий переключатель давления – один на каждый клапан |
Мекатроника
Идея нехитрая: если в гидроцилиндр диаметром какие-то 16 мм подать рабочую жидкость под давлением, скажем, 125 бар (совсем не много; в топливоподающих системах common-rail – 1600 бар и выше), то усилие на миниатюрном плунжере достигнет 250 кг. С избытком. За пару миллисекунд плунжер выдвигается на положенные 12-13 мм (или сколько там надо), нажимает на конец стержня клапана – и открывает его. Вместо привычного кулачка; скорости и усилия вполне достаточные, чтобы клапанный механизм устойчиво работал при оборотах за 7 тыс. в мин. Клапан укомплектован все той же пружиной, которая возвращает его на место, когда давление жидкости сбрасывается. Давление в системе создается обыкновенным (плунжерным) насосом не сложнее, чем ТНВД в составе дизельной топливной аппаратуры. Все дело в своевременной подаче и сбросе давления – раздельно для каждого из клапанов. Или для пары – при 4-клапанном газораспределении.
У Lotus на каждую пару клапанов (впускных или выпускных раздельно) приходится по одному блоку сдвоенных гидроцилиндров, которые управляются быстродействующими переключателями давления. Всего на 4-тактную «четверку» нужно 8 исполнительных блоков, 16 управляющих переключателей и 8 переключателей режима. Мощный цифровой процессор – и насос высокого давления; обычные на сегодня вещи.
 |
| Общая схема электрогидравлического AVT; не так уж и сложно. Вспомните, что распредвалы отменяются – вместе с их приводом |
То есть, техническая база практически уже готова. Так, Bosch и Siemens выпускают крупными сериями аппаратуру впрыска топлива (бензина и дизельного) с исключительно быстродействующими пьезоэлектрическими актуаторами. По сути здесь то же, что и в механизме AVT: актуатор срабатывает один раз на 2-х оборотах коленчатого вала (а иногда реже – в «6-тактном» цикле и при последовательном пропуске вспышек).
Что характерно, в схеме Lotus исполнительный плунжер движется соосно со стержнем клапана, здесь нет никаких паразитных боковых сил (как от кулачка на толкателе или коромысле), крайне неприятных при высоких частотах работы. Резко уменьшаются потери трения, что тоже способствует сбережению горючего. Техническая тонкость: чтобы AVT работал мягко и бесшумно, необходимо отслеживать мгновенную скорость клапана – и на подъеме, и на посадке. Нужен индивидуальный датчик перемещения – для каждого из клапанов; тогда цифровой процессор оценивает его текущую позицию и динамику и вовремя сбрасывает давление в гидроцилиндре. Мягкая посадка клапана в седло, которая никак не дается конструкторам чисто электромагнитных механизмов.
 |
 |
 |
 |
| Цикл HCCI: однородная топливовоздушная смесь сжимается… сжимается – пока не вспыхнет. Самопроизвольно |
Принципиальная особенность AVT – и электромагнитных, и электрогидравлических: в отличие от замечательного механизма Valvetronic, клапаны в цилиндрах срабатывают индивидуально. И на каждом последующем цикле независимо от предшествующего; как говорят инженеры, время перестановки короче одного рабочего цикла. Отсюда невероятная гибкость механизма газораспределения.
Что еще? Да, возможность произвольно изменять не только продолжительность впуска-выпуска, но и высоту подъема клапанов. Скажем, при 1,5 тыс. оборотов впускные клапаны вовсе не нужно поднимать на полные 12 мм; вполне достаточно 3,5 мм. В разы уменьшается мощность на привод механизма, а главное – улучшается смесеобразование. В узкой клапанной щели топливовоздушная смесь завихряется и лучше перемешивается; экономия и экология. И все равно боюсь, что здесь перечислены далеко не все возможности AVT; конструкторская фантазия получает мало чем ограниченный простор. Дерзайте.
Уже есть прикидки, во что обойдется электрогидравлический клапанный механизм AVT: для 16-клапанной «четверки» – примерно +1245 долл. Заметим, без учета экономии благодаря отказу от распредвалов с их приводом и смазкой. Так что в пределах разумного. И что же, к концу года ожидать появления первых моделей с AVT-двигателями? Увы, еще нет; у Lotus Engineering (которая сотрудничает с гигантом Eaton-Vickers) обещают где-то в 2008-2009-м. А французская Valeo делает ставку на электромагнитный AVT – безо всякой гидравлики – и тоже на 2008–2009–й. Ну, на год-другой они просчитаются [Так, еще пару лет назад у BMW собирались запустить в серию двигатель с (электромагнитным) AVT до конца 2005 года. На дворе уже 2006-й…], и к 2010-му чудо-двигатель станет реальностью. И поскольку наступление эры топливных элементов на водороде откладывается, по последним данным, примерно до 2020 года, то старый добрый Отто с гибким клапанным механизмом AVT еще помашет шашкой.