Table of Contents

Фундаментальная проблема дизайна Valvetrain

Каждый двигатель отто-цикла должен эффективно дышать в широком диапазоне скоростей и нагрузок. Клапанная трансмиссия контролирует время, подъем и продолжительность событий впускного и выпускного клапанов, напрямую влияя на то, сколько воздушно-топливной смеси поступает в цилиндр и как полностью выхлопные газы уходят. В традиционной фиксированной геометрии клапанная трансмиссия, инженеры должны выбрать один профиль кулачков, который представляет собой компромисс между низкоскоростным крутящим моментом, высокоскоростной мощностью, стабильностью холостого хода и экономией топлива. Этот компромисс по своей сути оставляет производительность на столе. Потери проявляются как работа насоса, когда дросселя ограничивает поток воздуха, механическое трение от раздвижных контактов и инерционные штрафы от поршневых контактов. Понимание этих механизмов потерь имеет важное значение для понимания того, почему инновации в конструкции клапанной трансмиссии дают такие драматические выгоды.

количественной оценки потерь

Детальные энергетические аудиты на производственных двигателях показывают, что потери от перекачки могут потреблять 10-15% указанной работы при легких нагрузках, в то время как трение клапанного трансмиссии составляет 6-10% от общего механического трения. Инерционные потери, хотя и не являются непосредственно топливным штрафом, ограничивают максимальную скорость двигателя и заставляют использовать более жесткие рессоры клапана, которые, в свою очередь, увеличивают трение. Например, при 6000 оборотов в минуту инерционное усилие на 50-граммовом впускном клапане может превышать 1000 Н, требуя пружин, которые добавляют контактное давление между кулачкой и последователем. Сочетание этих факторов создает значительный разрыв эффективности между теоретическим циклом Отто и тем, что фактически достигнуто. Каждое новшество клапанного трансмиссии направлено на закрытие этого разрыва либо путем снижения зависимости от дросселя, минимизации трения, либо обеспечения более оптимальных событий клапана для каждого рабочего состояния.

Переменное время клапана: от поэтапного перехода к полному управлению

Переменное время клапана (VVT) стало первым крупным шагом на пути к гибкому управлению клапанным трансмиссией. Сместив угловое положение распределительного вала относительно коленчатого вала, двигатели могут оптимизировать перекрытие клапана для различных условий. При холостом ходу минимальное перекрытие сохраняет холостое плавное и стабильное. При высоком обороте, увеличенном перекрытии используется вытяжное удаление выхлопных газов для привлечения свежего заряда в цилиндр, повышая объемную эффективность. Современные системы VVT эволюционировали в сложные электрогидравлические или полностью электрические фазеры, способные постоянно и быстро регулировать время. Система Toyota Dual VVT-i, например, самостоятельно регулирует как впускные, так и выпускные камеры, обеспечивая широкий диапазон перекрытия управления.

Электрический кам фазирует

Обычные гидравлические фазеры полагаются на давление моторного масла, которое изменяется со скоростью и температурой, ограничивая скорость отклика во время холодных запусков или работы с низкой частотой оборота. Такие системы, как VVT-iE от Toyota и Vanos от BMW, теперь используют электродвигатели для непосредственного вращения распределительного вала. Это обеспечивает почти мгновенные изменения фазы, независимые от нефтяных условий, позволяя ранее нагревать катализатор, уменьшать выбросы во время разогрева и более точно контролировать внутренний EGR. Электрический фазер в двигателе Toyota Dynamic Force может регулировать время на 60 ° в течение 300 миллисекунд, даже при выключенных двигателях. Экономия топлива от одной только электрической фазы колеблется от 2 до 5% на стандартных циклах вождения, в зависимости от базовой линии. Для более подробной информации о реализации Toyota, обратитесь к странице технологии VVT-iE от Toyota.

Многоступенчатый переключатель профиля

В то время как фаза изменяет время, она не может изменить подъем камеры или продолжительность. VTEC Honda и аналогичные системы (например, Mitsubishi MIVEC, Toyota Valvematic) обеспечивают два или три различных профиля кулачков, которые взаимодействуют через гидравлически блокирующие рычаги качалки. Профиль с низкой подтяжкой, короткий срок для нагрузок низкого и среднего диапазона уменьшает перекрытие и минимизирует реверсию, в то время как профиль с высокой подтяжкой, длительный профиль оптимизирует дыхание с высокой частотой вращения. Более поздние реализации, такие как i-VTEC Honda с деактивацией цилиндров, добавляют профиль с нулевой подтяжкой, который сохраняет клапаны закрытыми на конкретных цилиндрах во время легкой нагрузки. Это эффективно превращает четырехцилиндровый двигатель в двухцилиндровый блок, сокращая потери насоса и обеспечивая реальную экономию топлива до 10%. Возможность плавно переключать профили в течение одного цикла двигателя требует точного гидравлического управления и надежных механизмов защелкивания, но затраты на производство упали достаточно, чтобы такие системы теперь распространены на транспортных средствах среднего класса.

Непрерывный переменный подъём клапана: устранение дроссельной заслонки

Обычная дроссельная бабочка создает потери при перекачке, заставляя двигатель тянуть вакуум во время работы с частичной нагрузкой. Системы непрерывного варьирующего клапанного подъема (CVVL) устраняют это ограничение, контролируя количество воздуха, поступающего в цилиндр исключительно через подъемный клапан впускного клапана и время. Валветроник BMW, представленный в 2001 году и теперь в своем третьем поколении, изменяет подъемный клапан впускного клапана от 0,3 мм до 9,9 мм с использованием промежуточного рычага, приводимого в действие эксцентричным валом. Регулируя соотношение рычага, система непрерывно изменяет подъемный механизм без изменения положения распределительного вала. При частичной нагрузке впускной клапан открывает только небольшое количество и закрывается рано, уменьшая эффективное смещение и устраняя необходимость ограничения дроссельной заслонки. Результатом является резкое сокращение насосной работы - обычно до одной трети уровней дросселированного двигателя.

Влияние Valvetronic распространяется на реакцию дроссельной заслонки и выбросы. Без задержки открытия бабочки крутящий момент двигателя реагирует почти мгновенно на ввод педали. В сочетании с прямым впрыском и турбонаддувом система позволяет уменьшенному двигателю чувствовать себя естественно вздымающимся и отзывчивым. Последние двигатели B48 и B58 от BMW достигают улучшений расхода топлива в комбинированном цикле на 5-7% по сравнению с вариантами с фиксированной подъёмной силой. Добавленная сложность и вес (8-12 кг на головке цилиндра) компенсируются повышением эффективности, особенно в транспортных средствах, которые проводят значительное время при частичной нагрузке - именно рабочий режим ежедневного вождения. Система VVEL от Nissan (Variable Valve Event and Lift) работает по аналогичному принципу с использованием спирального механизма передачи, в то время как MultiAir использует электрогидравлическое приведение в действие для изменения подъема и времени независимо. Уникальное преимущество MultiAir - способность изменять каждый клапан индивидуально, позволяя закрывать ранний впускной клапан для цикла Миллера без дополнительного оборудования.

Оригинальное название: Camless Valvetrains: The Ultimate Freedom

Полностью убрать распределительный вал и управлять каждым клапаном независимо с помощью электромагнитных, электрогидравлических или пневматических приводов обеспечивает наибольшую гибкость. Без ограничений фиксированного профиля кулачков, хронометраж клапана, подъем и продолжительность могут быть оптимизированы на основе одного цилиндра, на цикл. Это позволяет такие функции, как деактивация цилиндра без специального оборудования, по требованию цикл Аткинсона и полностью переменный внутренний EGR. Несмотря на десятилетия исследований, бескамерные системы не достигли массового производства из-за проблем в точности управления, энергопотреблении и стоимости. Однако последние достижения приближают их к коммерческой реальности.

Электромагнитные клапанные приводы

Ранние попытки Aura Systems и Valeo использовали двойные электромагниты для удержания клапана открытым или закрытым, с пружинами, обеспечивающими нейтральное положение. Критической проблемой является мягкая посадка - снижение скорости сидения клапана до уровня ниже 0,05 м / с для предотвращения шума и износа. Современные алгоритмы управления, использующие датчик тока и контроль прогноза модели, достигли этого, но требуемая электрическая мощность остается высокой, около 200-400 Вт на клапан при 6000 об/мин. Эта энергия должна генерироваться генератором, частично компенсируя экономию топлива от уменьшенной работы насоса. Более новые конструкции включают восстановление энергии, где магнитное поле собирается во время замедления, чтобы уменьшить потребление сети. Продолжающиеся улучшения магнитных материалов и силовой электроники могут вскоре склонить баланс в пользу электромагнитного приведения в действие для высокоэффективных двигателей.

Электрогидравлические и фревалвные системы

Технология свободного клапана Koenigsegg использует пневматические / гидравлические приводы, управляемые соленоидными клапанами быстрого действия. Испытанная на двигателе Saab 9-5, она продемонстрировала независимое управление клапаном, способное переключаться между искровым зажиганием и однородным воспламенением сжатия заряда (HCCI) в режиме реального времени. Устранение распределительных валов, цепных приводов и фазеров уменьшает механическое трение примерно на 30%, в то время как способность держать впускные клапаны открытыми дольше при высоком повышении пиковой мощности на 30% и улучшенной экономии топлива до 10% в условиях дорожной нагрузки. Система требует надежной 48-вольтовой электрической архитектуры для обработки пиковых токов, добавляя стоимость и вес. Однако демонстрация 2016 года Qoros показала 1,6-литровый турбированный двигатель мощностью 230 л.с. с 15% меньшим расходом топлива, чем сопоставимый двигатель с кулачным приводом. Хотя все еще ограниченный нишевым применением, потенциал для основного внедрения растет, поскольку 48-вольтные системы становятся более распространенными. Дополнительные детали доступны на странице Co

Продвинутые материалы и покрытия: уменьшение массы и трения

Взаимодействующие компоненты клапанного трансмиссии — клапаны, пружины, фиксеры и подъемники — должны выдерживать экстремальные температуры и циклические нагрузки при минимизации массы. Более легкие клапаны позволяют использовать более мягкие пружины, которые уменьшают трение и обеспечивают более высокие скорости двигателя. Материаловедение значительно продвинулось вперед, предлагая решения как для впускных, так и для выпускных клапанов. Алмазоподобные углеродные (DLC) покрытия стали ключевым фактором, снижающим коэффициент трения на клепках и кулачках от 0,15 до менее 0,05 при смешанной смазке.

Титан и суперсплавы

Титановые сплавы, такие как Ti-6Al-4V, обеспечивают снижение веса на 40% по сравнению со сталью, разрезая типичный впускной клапан от 75 г до 40 г. Это позволяет снизить весовые усилия на 10-15%, снижая крутящий момент привода распределительного вала. Плохая износостойкость титана требует покрытия, такого как DLC или нитрид хрома на стебле и сиденье. Для выхлопных клапанов используются сверхсплавы на основе никеля, такие как Inconel 751 или Nimonic 80A. Эти сплавы поддерживают прочность при высоких температурах, но являются тяжелыми. Полосатые натриевые клапаны используют фазовое изменение натрия для передачи тепла от головы к стеблю, снижая рабочие температуры и продлевая срок службы. Современные турбированные двигатели с прямым впрыском обычно используют такие клапаны для сопротивления преждевременному зажиганию и повышения долговечности.

Керамика и композиты

Нитрид кремния (Si3N4) и карбид кремния (SiC) предлагают плотность примерно на 40% ниже, чем сталь в сочетании с отличной горячей твердостью, что делает их идеальными для высокотемпературных выпускных клапанов. Они не требуют охлаждения натрия и хорошо сопротивляются износу. Однако хрупкость и высокие производственные затраты ограничили их использование для исследований прототипов. Керамические грани клапана были протестированы в пробегах на выносливость, а техническая бумага SAE обеспечивает подробный анализ их характеристик износа. Руки рокера и пальчики также видели улучшения материала: прототипы полимеров с армированным углеродным волокном существуют, но коммерчески алюминиевые руки с подушечками с DLC более практичны, предлагая до 40% меньше вращательной инерции, чем стальные эквиваленты. Кроме того, легкие титановые удерживающие устройства и бусиновые пружинные поверхности дополнительно уменьшают массу без ущерба для срока службы усталости.

Низкофрикционная кинематика и поверхностная инженерия

Даже с оптимальными материалами геометрия контакта между кулачком и последователем диктует большую часть потерь трения клапанного трансмиссии. Скользящие плоские краны в значительной степени вытесняются последователями роликового пальца, которые преобразуют скольжение в движение качения. Это уменьшает трение на 25-30%, что подтверждается испытаниями на FEV. Модульные двигатели BMW B-серии объединяют валковые палки с опорами поворота и смещенными кулачковыми долями, которые вызывают вращение клапана. Вращение распределяет тепло равномерно и уменьшает износ сидений, улучшая уплотнение с течением времени. Поверхностная отделка также имеет значение: сверхзавершенные кулачки с шероховатостью ниже 0,05 мкм в сочетании с последователями с DLC-покрытием достигают коэффициентов трения ниже 0,05 при граничной смазке. Эти постепенные улучшения в сочетании с моторными маслами с низкой вязкостью уменьшают трение клапанного трансмиссии в общей сложности на 30-40%

Синергия с турбонаддувом и уменьшением

Полные преимущества передовых технологий клапанного трансмиссии становятся очевидными при интеграции с турбонаддувом, прямым впрыском и интеллектуальным управлением двигателем. Переменное время клапана, настроенное на динамику импульса турбовинтового скручивания, может значительно расширить кривую крутящего момента. Двигатель Mazda Skyactiv-G использует высокодоходную впускную кулачок с поздним замыканием впускного клапана для достижения цикла Миллера, эффективно снижая эффективное сжатие на низких скоростях, чтобы предотвратить стук, сохраняя при этом высокое геометрическое отношение сжатия для тепловой эффективности. Эта естественная конструкция с подачей воздуха достигает наилучшего показателя тепловой эффективности более 40%. В усиленных приложениях системы с переменным клапаном, такие как Valvetronic, могут улучшить реакцию турбокомпрессора, открывая выхлопные клапаны раньше, чтобы увеличить энергию выдувания, помогая турбинному катушке быстрее. При частичной нагрузке система держит дросселя открытым и контролирует воздушный поток только с помощью подъема, уменьшая насосную работу. В сочетании эти стратегии сокращают расход топлива

Деактивация цилиндров и динамический промах огня

Цилиндровая деактивация уже давно используется на двигателях V8 с большим перемещением, но современная приводная система клапанного трансмиссии позволяет использовать ее на четырехцилиндровых двигателях с минимальными штрафами NVH. Технология Dynamic Skip Fire Delphi деактивирует отдельные цилиндры на основе цикла, удерживая клапаны закрытыми через штифты с соленоидным управлением в подъемниках. Переход происходит менее чем за один цикл двигателя (около 20 мс при 3000 об/мин), что позволяет беспрепятственно передавать крутящий момент. Тестирование Tula Technology показывает 8-12% экономии топлива на цикле FTP-75 США без ущерба для производительности. Передовые гидравлические регулировщики ресниц и быстродействующие клапаны управления маслом делают это возможным, и технология в настоящее время принимается несколькими OEM-производителями для их уменьшенных турбированных двигателей. Будущие системы могут интегрировать пропустить огонь с переменным подъемом для дальнейшей оптимизации фаз сгорания во время событий деактивации.

Алгоритмы управления и оптимизация в реальном времени

Расширенное калибровочное пространство, введенное переменными клапанными трансмиссиями — множеством точек фазера кулачков, профилей подъема и состояний деактивации цилиндров, требует сложных алгоритмов управления. Современные ЭБУ используют логику структуры крутящего момента на основе моделей с обратной связью от датчиков детонации, датчиков кислорода, а иногда и преобразователей давления в цилиндрах. Искусственный интеллект все чаще применяется для обнаружения оптимальных графиков клапанов для каждого состояния вождения. Агенты обучения усилению, обученные на моделируемых циклах вождения, могут идентифицировать неинтуитивные стратегии, которые снижают потребление топлива дополнительными 2-3%. Такие компании, как Siemens и ETAS, коммерциализируют такие инструменты оптимизации, позволяя производственным двигателям адаптироваться к моделям вождения и условиям окружающей среды более эффективно, чем когда-либо прежде. Использование нейронных сетей для прогнозирования времени клапана в стационарных и переходных условиях в настоящее время проверяется в контроллерах прототипов.

Производство и масштабируемость

Широкое внедрение передовых компонентов клапанного трансмиссии зависит от экономически эффективного производства. Поставщики, такие как Mahle, Eaton и Schaeffler, имеют модульные системы для покрытия нескольких семейств двигателей с помощью единой аппаратной платформы, дифференцируя производительность с помощью программного обеспечения. Этот подход привел к переменному времени клапана для транспортных средств менее чем за 20 000 долларов США. Аддитивное производство (3D-печать) появляется для малообъемных деталей производительности, позволяя сложные внутренние каналы охлаждения в титановых клапанах. Хотя стоимость на часть остается высокой, ожидается, что она просочится в роскошные транспортные средства в течение следующего десятилетия, как описано в эта статья о аддитивном производстве . Слияние лазерного порошкового слоя с гранями клапана Inconel 718 продемонстрировало улучшенную структуру зерна и сокращение времени производства для сегментов вторичного рынка.

Будущие направления и интеграция с гибридными системами

Даже по мере того, как отрасль движется к электрификации, двигатель отто-цикла останется ключевым источником движения, по крайней мере, для другого поколения. В следующем десятилетии будут наблюдаться несколько тенденций:

  • 48 V мягкая гибридизация: Электродвигатели могут заменить фронтальный привод аксессуара и обеспечить быструю фазу вала, позволяя запускать без шума ремня и более быстрых переходов. Интегрированные стартер-генераторы с фазерами 48 V кулачков позволяют деактивировать цилиндр во время движения по побережью.
  • Интегрированные выпускные коллекторы: Понижая температуру выхлопных газов, они позволяют использовать более дешевые турбоматериалы и более агрессивные клапаны при высоких нагрузках, одновременно уменьшая отторжение тепла до охлаждающей жидкости.
  • Прогнозное управление энергопотреблением: Используя GPS и облачные данные для прогнозирования местности и трафика, ECU может предварительно задавать стратегии клапанов для оптимальной эффективности в предстоящих сегментах дорог. Это особенно эффективно на гибридных силовых агрегатах, где электрическая помощь может маскировать переходные моменты крутящего момента.
  • Соответствие реальным выбросам: Системы клапанов, которые могут быстро увеличить энтальпию выхлопных газов для нагрева катализаторов, станут обязательными по мере ужесточения стандартов RDE. Контролируемое закрытие запоздалого впускного клапана или раннее открытие выхлопных газов может повысить температуру выхлопных газов на 100°C в течение нескольких секунд.

Исследования уже нацелены на 45% пиковую тепловую эффективность тормозов для производства двигателей с искровым зажиганием - цифра, которая когда-то считалась невозможной. Глобальные петли оптимизации, которые совместно контролируют клапанный трансмиссию, впрыск топлива и время искры, являются ключом к достижению этой цели. Для более глубокого понимания этих методов оптимизации обратитесь к , этот исследовательский документ по моделированию управления горением . Кроме того, продолжающаяся работа в университетах по электрогидравлическим бескамерным клапанам обещает закрыть разрыв в стоимости в течение следующего десятилетия.

Заключение

Современная трансмиссия трансформировалась из чисто механического звена в интеллектуальную динамическую систему, которая может изменять работу двигателя на основе момент за моментом. Каждая инновация - будь то переменное время, непрерывный подъем, бескамерное приведение в действие или передовые материалы - уменьшает исторические потери цикла Отто, обеспечивая более высокую плотность мощности, более низкий расход топлива и сокращение выбросов. По мере того, как гибридные системы и управляемые ИИ элементы управления становятся более интегрированными, трансмиссия будет оставаться основным рычагом для достижения как целей производительности, так и экологических норм. Будущее двигателя внутреннего сгорания, хотя и оспаривается электрификацией, будет определяться сложностью его дыхательного аппарата - и инженерным превосходством, которое продолжает раздвигать его границы.