Автомобилестроение в России всегда отставало от темпов его развития на западе. Примеров по-настоящему оригинальных моделей, таких как всем известный автомобиль «Победа», буквально единицы. Но разработки, которые могли бы помочь отечественным автомобилестроителям создавать конкурентоспособный автомобиль, время от времени появляются. К такой новаторской категории разработок относится механизм, разработанный на кафедре электротехники и электрооборудования МАДИ. Идея доцента Д. А. Соснина, реализованная в механизме, делает возможным создать двигатель с гибким управлением фазами газораспределения, без распределительного вала.
Там, где электроника пасует…
Любой производитель автомобилей заинтересован в оптимальности режима работы двигателя внутреннего сгорания. Это означает стремление к тому, чтобы двигатель работал на максимальной мощности, обеспечивал равномерный крутящий момент, тратил меньше топлива и выбрасывал в атмосферу выхлопные газы с минимальным количеством токсичных веществ. Добиться высоких показателей одновременно по всем перечисленным параметрам не удавалось еще никому из-за их взаимосвязанности. Улучшение одной характеристики вызывает ухудшение другой. Автоматизация управления работой двигателя помогает снизить остроту этой проблемы.
Информацию для программы автоматического управления двигателем получают с помощью испытательного стенда. При испытании на нем, для каждого из нужных режимов работы двигателя подбирают все параметры так, чтобы они давали наилучшие результаты. Эти параметры будут записаны в память электронного блока, который для каждого режима будет формировать соответствующие управляющие сигналы.
К примеру, разработанный в ФРГ электронный блок «Motronic» управляет пятью параметрами системы зажигания. Для этого он следит за частотой вращения коленчатого вала, крутящим моментом, измеряет температуру двигателя и величину напряжения на аккумуляторной батарее. По результатам измерения устройство подбирает для системы зажигания угол опережения, оптимальное время впрыска топлива, положение дроссельной заслонки и клапана рециркуляции, а также время, за которое катушка зажигания накапливает электрическую энергию. Кроме этого система управления следит за содержанием окиси углерода в выхлопных газах, проверяя совпадение его значения режиму работы двигателя.
Возможности электроники в автоматизации управления двигателем велики, но не безграничны. Газораспределительный механизм тому пример. Электронике не под силу справиться с его особенностью - жесткой кинематической связью между коленчатым валом и распределительным.
По мнению специалистов, классический ДВС может считаться совершенным. Его плохая работа связана с тем, что он не справляется с собственным выхлопом. Если двигатель будет получать кислорода больше, то главные его проблемы будут решены, и искать альтернативу никому не придет в голову.
Причина проблемы заключается в том, что нужно сдвигать моменты открытия и закрытия клапанов во время работы двигателя, а это не предусмотрено его устройством. Изменить их можно только при изготовлении механизма. Так сделали в начале семидесятых годов прошлого века автогонщики из Прибалтики. Достигать впечатляющих побед в состязаниях им помогли распределительные валы, которые они изменяли собственными руками. Изменения, сделанные умельцами, коснулись кулачков - они были наплавлены и вручную доведены до нужной формы. Это позволяло спортсменам добиться от двигателя частоты вращения до 3 тыс. оборотов в минуту на холостом и 8 тыс. на полном газу. Но такие валы хороши лишь для спортивных машин – их высокие характеристики достигаются только на высоких оборотах. В обычных условиях это неприемлемо. Но этот факт красноречиво говорит о роли фазы клапанов – опережения или запаздывания.
На управление фазами газораспределения должны влиять изменения параметров работающего двигателя. Если изменилась нагрузка на коленчатый вал или изменилась частота его вращения, то и фаза должна измениться. Кулачковый распределительный вал не может помочь решению такой задачи.
Приводы клапанов, основанные на механике, гидравлике, пневматике или электромеханическом способе позволяют влиять на изменение фаз газораспределения, но в малых пределах. Перспектива за электромагнитным способом – его применение поможет решать не только задачи оптимизации работы. Благодаря этому способу функциональных возможности двигателей должны увеличиться.
Кажется, что проблема решена, но дальше экспериментальных разработок дело не продвинулось.
Клапан профессора Архангельского
Более полувека тому назад МАДИ уже занимался проблемой использования электромагнитного привода для регулирования момента срабатывания клапана. Руководил разработкой проф. В. М. Архангельский.
Электромагниты, управляющие клапанами, срабатывали во время замыкания контактов, закрепленных на распределительном вале, а возвращались пружиной. На валу находилось устройство, которое благодаря центробежным силам, смещало кулачки. Так любое изменение скорости вращения вала влияло на опережение срабатывания клапанов.
Но профессору Архангельскому не удалось создать работоспособного механизма. Для его конструкции требовалась сильная пружина, обеспечивающая надежность закрывания клапана. Это означало, что нужен мощный электромагнит, способный справиться с жесткой пружиной. В таком электромагните должен протекать ток большой величины. Полупроводниковых вентилей такой мощности еще не существовало, а контакты при механическом переключении быстро приходили в негодность из-за величины тока. Второй серьезной причиной неудачи была большая жесткость возвратной пружины. Сильные частые удары при закрывании клапана слишком быстро приводили к его поломке.
Идеи профессора Архангельского немного опередили время и не могли быть реализованы сразу. Но они стали началом длительного периода конструкторских поисков. Этому периоду сложностей суждено было завершиться патентом, дающим надежду на то, что российское автомобилестроение может конкурировать с признанными лидерами.
Один электромагнит хорошо, а два намного лучше…
Слабым звеном в схеме профессора Архангельского была кажущаяся необходимой возвратная пружина с большой жесткостью. Но от нее можно избавиться с помощью использования не одного электромагнита, а двух. Такое решение проблемы дает еще и преимущество – в этом случае требуются электромагниты меньшей мощности и размеров. Большой ток нужен только при переключениях, а для удержания он может быть значительно меньше. Этот способ решения столь важной проблемы предложил в своей дипломной работе один из студентов госуниверситета г. Тольятти.
Идея, родившаяся у воспитанника проф. Ивашина, высказанная в век бурного развития электронных устройств, имеет особое значение. При наличии двух электромагнитов распределительный вал совсем не нужен. Электронное устройство с использованием микропроцессора способно эффективно управлять такой системой, регулируя силу тока и задавая время открывания и закрывания клапанов.
Вскоре эстафета новаторства перешла к НАМИ - ведущей научно-исследовательской организации Российской Федерации в области развития автомобилестроения. Возглавил работу кандидат технических наук А. Н. Терехин. В результате научных и конструкторских разработок группе ученых удалось создать работоспособный макет механизма с восемью клапанами, снабженными с двух сторон электромагнитами. Но дальше макета дело не пошло – финансирование в девяностых годах прекратилось, и архивы поглотили перспективную разработку на десятилетие.
В XXI-ом веке пришло время заглянуть в архивы. На АвтоВАЗе главным конструктором В. М. Прусовым была возглавлена группа, возобновившая разработку электромагнитного газораспределительного устройства. Но и эта попытка не увенчалась успехом. Ее результаты были представлены в виде двух проектов на Всероссийском конкурсе, но предложенные разработки системы двигателя ВАЗ, снабженного шестнадцатью клапанами с электромагнитными приводами, даже не стали рассматриваться.
К тому времени в Японии и Америке подобные исследования уже шли полным ходом, а у БМВ был на испытаниях двигатель с таким типом газораспределительного устройства.
Конкурентоспособность последних российских разработок
Примерно в то же время МАДИ вновь вернулся к давно отложенной теме. Его кафедра электротехники и электрооборудования возобновила поиски новых способов решения проблем электромагнитных приводов в газораспределительной системе двигателей внутреннего сгорания. На этот раз вполне успешно. Ошибки отечественных и зарубежных конструкторов были учтены и творчески переработаны. В результате был найден новый подход к решению наболевшей проблемы автомобилестроения.
На Западе Россию не считают конкурентами в автомобилестроении. Конечно, основания для такой оценки российской автопромышленности существовали всегда и существуют сейчас. Но запатентованная автором новая конструкция газораспределительных клапанов может дать начало изменению такого отношения. Речь идет о новаторских усовершенствованиях электромагнитных клапанов, которые решают хотя и не все проблемы связанные с электромагнитными приводами, но большую их часть.
В предлагаемой конструкции применяются соленоиды, в которых движение сердечника тормозится не жестко – упорами, а магнитными полями на его краях. При работе таких электромагнитных катушек удается избежать шума от клапанов, который может возникать при их открывании и закрывании. Снимается ограничение на длину хода клапана – теперь он любой и может регулироваться. Штанга и качающееся коромысло и передают движение сердечника соленоида клапану. Это означает, что теперь не нужны электромагниты, возвышающиеся над цилиндрами. Благодаря такому способу передачи возвратно-поступательного движения электромагниты могут располагаться на боковой поверхности, что увеличивает компактность двигателя, уменьшает его высоту. Смазку и охлаждение деталей можно производить без добавления новых систем. Существующие системы вполне могут справиться с этой задачей.
Если моторостроители возьмутся за дело, не откладывая его в долгий ящик, и доведут идею до реализации в металле, то в России появится конкурентоспособный автомобиль нового уровня. Автомобиль экономичный и способный соответствовать самым жестким экологическим требованиям. Автомобиль, который будет вызывать к себе заслуженное уважение.