Где все бескулачковые двигатели?

Jul 27, 2023

В последнее время электромобили в моде, но давайте не будем забывать о старом резерве – двигателе внутреннего сгорания. Современный двигатель внутреннего сгорания – это чудо инженерной мысли. Сегодняшние двигатели и окружающие их системы имеют лучшую мощность, большую экономию топлива и более низкие выбросы, чем все, что было раньше. Века инженерных часов были потрачены на улучшение каждого аспекта двигателя – за одним примечательным исключением. Ни один производитель автомобилей не смог отказаться от распределительного вала двигателя в серийном автомобиле с поршневым двигателем. Ирония здесь в том, что бескулачковые двигатели относительно легко построить. Среднестатистический хакер мог модифицировать небольшой четырехтактный двигатель для бескулачковой работы в своей мастерской. Хотя это и не будет практичным устройством, оно станет отличным испытательным стендом для экспериментов и обучения.

Многоцилиндровый бензиновый двигатель – это сложный танец. Сотни частей должны двигаться синхронно. Клапаны открываются и закрываются, форсунки распыляют топливо, зажигаются свечи зажигания, а поршни движутся вверх и вниз. Все они следуют четырехтактному циклу Отто «Впуск, сжатие, сгорание, выпуск». Распределительный вал контролирует большую часть этого процесса, открывая и закрывая подпружиненные впускной и выпускной клапаны двигателя. Кулачки на валу давят на толкатели, которые затем перемещают стержни клапанов и сами клапаны. Сам распределительный вал приводится в движение со скоростью, вдвое меньшей скорости коленчатого вала, посредством зубчатых колес, цепей или ремня. Некоторые клапанные механизмы относительно просты, например двигатели с верхним расположением распредвала. Другие, такие как конструкция с кулачком в блоке, более сложны и включают толкатели, коромысла и другие детали, необходимые для преобразования движения кулачка в движение клапана.

Точное время и скорость открытия клапана определяется профилем кулачка кулачка. Любители автогонок и производительности часто меняют распределительные валы на более агрессивные профили и другие смещения фаз газораспределения в зависимости от требований двигателя. Однако за все приходится платить. Распределительный вал, рассчитанный на максимальную мощность, обычно плохо работает на холостом ходу и затрудняет запуск двигателя. Слишком агрессивный профиль лепестков может привести к поплавку клапана, когда клапаны никогда не садятся полностью на высоких оборотах.

Производители двигателей потратили годы на то, чтобы обойти ограничения распределительного вала. Результатом является множество запатентованных решений. У Honda есть система VTEC, сокращенно от системы изменения фаз газораспределения и электронного управления подъемом. У Тойоты есть VVT-i. У BMW есть VANOS, у Ford есть VCT. Все эти системы позволяют в той или иной степени регулировать действие клапана. Система VANOS позволяет распределительному валу слегка поворачиваться на несколько градусов относительно нормального положения газораспределительного механизма, подобно перемещению одного или двух зубцов на цепи газораспределительного механизма. Хотя эти системы действительно работают, они, как правило, механически сложны и дороги в ремонте.

Простым решением было бы использовать бескулачковый двигатель. Это будет означать отказ от распределительного вала, ремня ГРМ и большей части сопутствующего оборудования. Соленоиды или гидравлические приводы открывают и закрывают клапаны бесчисленным множеством способов. Клапаны можно даже держать открытыми на неопределенный срок, эффективно отключая цилиндр, когда максимальная мощность не требуется.

Так почему же мы все не ездим на бескулачковых двигателях? Есть несколько причин. Преимущества бескулачковых двигателей перед двигателями с распределительным валом аналогичны преимуществам электронного впрыска топлива (EFI) по сравнению с карбюраторами. По своей сути топливная форсунка представляет собой электромагнитный клапан. Топливный насос обеспечивает постоянное давление. Блок управления двигателем (ЭБУ) запускает форсунки в нужное время для впрыска топлива в цилиндры. Компьютер также оставляет клапаны открытыми на достаточно долгое время, чтобы впрыскивалось нужное количество топлива для текущего положения дроссельной заслонки. С электронной точки зрения это очень похоже на то, что требуется для бескулачкового двигателя. Так что же дает?

Хакеры в возрасте от 30 лет и старше помнят, что до конца 1970-х и начала 1980-х годов карбюратор был королем. Компании экспериментировали с EFI с 1950-х годов. Система не стала общепринятой до тех пор, пока в 70-х годах не вступили в силу жесткие законы о загрязнении. Создать экологически чистый и экономичный карбюраторный двигатель было возможно, но требовалось так много механических и электронных приводов, что EFI был лучшей альтернативой. Таким образом, законы 70-х годов фактически прекратили существование карбюраторов. Мы наблюдаем то же самое с бескулачковыми двигателями. Чего не хватает, так это правил, которые бы форсировали эту проблему.