محرك صيني جديد بدون عمود الحدبات. كيف تشعر السيارة بمحرك بدون عمود الحدبات؟

اليوم، من الصعب تخيل المبدأ الكلاسيكي لتشغيل آلية توزيع الغاز لمحرك الاحتراق الداخلي بدون مكونات التوقيت الرئيسية: أعمدة الكامات، وأحزمة القيادة وسلاسل التوقيت، وتروس القيادة، وكذلك الكامات والدافعات.

مما لا شك فيه أن العديد من الشركات المصنعة الرائدة لمحركات الاحتراق الداخلي قد أخضعت هذه الآلية التي تبدو بسيطة للتحديث المعقد. خذ على سبيل المثال نظام توقيت الصمام المتغير (VTEC) والأجراس والصفارات الأخرى في حزام التوقيت، والتي تسمح لك بإيقاف تشغيل المكابس الفردية لتوفير الوقود.

وبدا الأمر وكأنه كيف يمكن التخلص من هذا العمل المنسق بشكل متناغم للعناصر الميكانيكية لآلية توزيع الغاز. إذا اقتربت منه بشكل جذري، فيمكنك ببساطة استبدال محرك الاحتراق الداخلي بمحرك كهربائي. لكننا مازلنا نتحدث عن كيفية التخلص من دائرة التوقيت الكلاسيكية في محرك الاحتراق الداخلي؟

وتبين أن مثل هذا الحل موجود منذ عام 2005، ولكنه يستخدم فقط في السيارة الرياضية الصغيرة الحجم Koenigsegg CCXR. وتبلغ السرعة القصوى للسيارة الرياضية 388.87 كم/ساعة، ويصل زمن التسارع إلى 300 كم/ساعة 11.92 ثانية فقط. تمت تسمية هذه السيارة الرياضية على اسم مبتكرها كريستيان فون كونيجسيج. لكن النظام الذي حل محل حزام التوقيت التقليدي كان يسمى Freevalve، والتي تعني في الترجمة “الصمام الحر”.

مبتكر هذه التكنولوجيا لا يقود سيارة رياضية، بل يقود سيارة متواضعة من طراز Saab 9-5، والتي للوهلة الأولى لا تختلف عن إخوانها. ولكن حتى لو قام سائق السيارة الأكثر خبرة بفتح غطاء حجرة المحرك، فسوف يرى صورة غير عادية بالعين المجردة. لا، تروس القيادة، حزام التوقيت، "السرير" عمود الحدبات. ما الذي ينشط الصمام؟

لذلك، يتم توفير حركة العشائر من خلال ما يسمى بمحرك نظام Freevalve، والذي يعتمد مبدأه على الاستخدام المعقد للطاقة الكهربائية والهيدروليكية والهوائية. مدخلات كتلة Freevalve هي كهرباء، الذي يحرك الآلية الهوائية لمشغل منفصل لفتح الصمام، والآلية الهيدروليكية لإغلاقه. بمعنى آخر، تقوم المحركات الكهربائية بتزويد الهواء والزيت، وبالتالي ضمان حركة الصمام.

كل مشغل مستقل تمامًا عن الآخرين ويتم التحكم فيه بواسطة وحدة تحكم عن بعد. لم يكشف المبتكر عن تفاصيل النظام المبتكر، ولكن وفقًا للمنطق، يجب أن تعمل وحدة التحكم هذه جنبًا إلى جنب مع نظام إمداد الوقود لضمان تزامن فتح الصمام وتوقيت حقن الوقود.

يوضح الرسم البياني التجريبي لنظام التحكم في الصمام Freevalve الفوائد الواضحة.

يعرض الخط الأحمر خصائص صمامات السحب، والخط الأزرق - صمامات العادم. على عكس نظام التوقيت الكلاسيكي، حيث يتم فتح كل من صمامات السحب والعادم بسلاسة باستخدام عمود الكامات على طول مسار بيضاوي، في نظام Freevalve يتم فتحهما على الفور تقريبًا تحت تأثير نبض كهربائي.

وبناء على ذلك، فإن الرسم البياني لحركة الصمامات مع نظام Freevalve له شكل شبه منحرف بزوايا قائمة تقريبا، والرسم البياني لنظام التوقيت التقليدي له شكل القطع المكافئ. وبالتالي، تم تقليل الوقت اللازم لدخول الغازات إلى منافذ العادم والعادم بشكل كبير، مع تحسين القوة والخصائص البيئية لنفس حجم المحرك. على منصة الاختبار، أظهر المحرك المزود بنظام Freevalve زيادة في القوة بنسبة 30 بالمائة وانخفاضًا بنسبة 50 بالمائة في الانبعاثات الضارة.

بمساعدة Freevalve، أصبح حل آلية تغيير توقيت الصمام أسهل بكثير. في أنظمة معروفة مثل VTEC، يتم تحقيق ذلك من خلال التصميم المعقد لأعمدة الكامات، القادرة على المزج بالنسبة لمحور تروس القيادة. منذ عام 2003، قدمت شركة هوندا اليابانية تقنية إدارة الأسطوانات المتغيرة (VCM)، والتي تسمح بإيقاف تشغيل الأسطوانات وتشغيل الأجزاء فقط مجموعة المكبسلتوفير الوقود في وضع التحكم في السرعة بدون أحمال. من الناحية الهيكلية، يتم تحقيق ذلك من خلال وضع معقد للكامات التي يمكن أن تتحرك على طول عمود الكامات، مما يضمن وضع التشغيل والاستعداد لتشغيل المكبس.

في حالة Freevalve، لا يتطلب توفير هذه الوظيفة تطبيقات وترقيات ميكانيكية إضافية. يتم تحقيق كل هذا عن طريق وميض وحدة التحكم في المحرك.

يمكنك زيادة الطاقة وتقليل انبعاثات المواد الضارة في الغلاف الجوي عن طريق تركيب صمامات إضافية على العادم. يمكن توجيه جزء من غازات العادم إلى الشاحن التوربيني، وجزء إلى المحفز.

وفقا للمخترع، يمكن تثبيت نظام Freevalve على أي محرك احتراق داخلي. لكن هذا نظري فقط. ومن الناحية العملية، فإن خيارات التكيف هذه ليست واضحة تماما بعد. أولاً، عند التثبيت على سيارة قديمة، سيكون من الضروري توفير مبيت فريد لكل منها بدلاً من غطاء الصمام، حيث سيتم تركيب المحركات بدورها. ثانيا، ليس من الواضح تماما كيف العلاقة مع نظام الوقودوالتي يتم التحكم فيها عن طريق العقول العادية للسيارة.

أيضًا، عند إزالة نفس أعمدة الكامات وتروس القيادة، سيكون من الضروري التخلص من جميع أنواع المستشعرات، والتي في غيابها سيصاب دماغ السيارة بتشنج عضلي. وبطبيعة الحال، بالنسبة للسيارات الجديدة، فإن المزايا واضحة بلا شك، ولكن فيما يتعلق بتكييف السيارات الحالية، فإن السؤال لا يزال مفتوحا.

لذلك، دعونا نلخص ونسلط الضوء على مزايا نظام Freevalve مع الاكتواريين الإلكترونيين:

• يتم تقليل وزن المحرك عن طريق إزالة التروس وأحزمة القيادة (السلاسل) وأعمدة الكامات التوقيت.
• محرك مدمج وزيادة مساحة مقصورة المحرك.
• زيادة قوة المحرك بحوالي 30%.
• تقليل انبعاثات الغازات السامة في الغلاف الجوي.

أنا متأكد من أن العديد من قرائنا يعرفون عن وجود شركة تسمى. كوينيجسيج. لكننا على يقين أيضًا من أنك لم تسمع شيئًا تقريبًا عن شركتها الفرعية المسماة FreeValve.

إذا كان هذا صحيحا، فمرحبا بكم في عالم تكنولوجيا السيارات العالية.لقد طور الإسكندنافيون وينفذون منتجًا مثيرًا للاهتمام للغاية ، وهو نوع جديد من المحركات (هذا ليس مبالغة) لا توجد فيه أجزاء مألوفة لكل شخص مرتبط بالسيارات ، مثل عمود الحدبات للمحرك.

إذا نظرت إلى الماضي، في الثمانينيات، كانت التكنولوجيا الأعلى والأكثر تقدمًا هي نظام التحكم في الصمامات VTEC، وتميزت التسعينيات بتطوير واستخدام نظام حقن الوقود المتقدم، وبعد ذلك بقليل بلغ تطوير الحقن المباشر ذروته في أواخر 2000s. المستقبل ينتمي لتقنية FreeValve، “بدون نظام عمود الحدبات” الذي يقود الصمامات في محرك الاحتراق الداخلي. ولكن هل هذا صحيح حقا؟ دعونا نلقي نظرة معا.

مثل أي ثورة تكنولوجية أخرى، ينبغي (أو هي ملزمة؟) أن تغير ميزان القوى في تقنيات إنشاء محركات الاحتراق الداخلي. يبدو المبدأ الأساسي بسيطًا ومبتكرًا، فبدلاً من ربطه بصيغة محددة وثابتة، توفر التكنولوجيا الجديدة المرونة في تشغيل المحرك.

كانت تقنية الصمامات المتغيرة موجودة منذ فترة طويلة نسبيًا، مع العديد من النماذج الأولية المصنوعة من شركات صناعة سيارات مختلفة وحتى إصدارات إنتاجية مماثلة من BMW، لكن لا يمكن لأي منها أن يضاهي القدرات التي يوفرها النوع الجديد من المحركات التي طورتها الشركة الاسكندنافية المتواضعة. وتكمن عبقرية النظام المروج له أيضًا، على الأقل، في أنه لا يتضمن تغييرات كبيرة في تصميم المحرك نفسه. ومع ذلك، فإن هذه البساطة الواضحة لم تساعد FreeValve على تجنب كونها باهظة الثمن و. من قوانين الأعمال أن المنتجات الجديدة تكلف دائمًا الكثير من المال.

محركFreeValveأقوى بنسبة 30%، وصديق للبيئة بمرتين، وأكثر اقتصاداً بنسبة 20-50% من المحرك التقليدي الذي يعمل بعمود الكامات

مثل المهندسين الآخرين الذين يركزون على نسب الضغط المتغيرة والإزاحة المتغيرة، كان الرجال في FreeValve يعملون على ما يسمى بتكنولوجيا المحرك الأعلى في العالم، في طليعة التقدم.

خلال مسار البحث، اكتشف كوينيجسيج أن تكنولوجيا مشغل الصمامات لديها إمكانات تطوير هائلة، وكان القرار منطقيًا لتطوير نظام حقيقي يعتمد على الخبرة النظرية، وبالتالي التعاون مع شركة تابعة Cargine، أعيدت تسميته لاحقًا بـ FreeValve.

انتهت المقدمة. دعنا ننتقل إلى التفاصيل.

دعنا ننتقل إلى دراسة جميع الفروق الدقيقة في تكنولوجيا FreeValve، والتي تم الكشف عنها مؤخرا للجمهور.

ما الفرق بين النظام غير المزود بعمود الحدبات وتقنية محرك الصمامات الكلاسيكية؟

يتضح من اسم التكنولوجيا ووصفها أننا نتحدث حقًا عن محرك لا يحتوي على أعمدة كامات. في الواقع، هناك نهج غير عادي في هندسة التقنيات داخل المحرك، السر الرئيسيوهو أن المحرك لا يحتاج إلى هذه الأعمدة، حيث أن الصمامات مصممة لتعمل بشكل منفرد، كل على حدة. لا يرتبط كل صمام بشكل صارم بالصمامات المجاورة، ومن هنا جاء اسم "الصمامات الحرة"، FreeValve.

الفكرة الرئيسية هي جعل تشغيل محرك الاحتراق الداخلي أكثر كفاءة في جميع مراحل التشغيل. تعد أعمدة الكامات القياسية، نظرًا لميزات تصميمها، خيارات تسوية للغاية، مما يؤدي غالبًا إلى "تضحيات" معينة، زيادة الاستهلاكالوقود من أجل القوة أو عزم الدوران المنخفض ل السرعه العاليهمن أجل ذروة القوة، الخ.

يمكن أن يعمل المحرك في أربع دورات: قياسية - أوتو، معقدة - ميلر واقتصادية - أتكينسون. المحرك قادر أيضًا على إعادة إنتاج دورة هيدمان بنسبة ضغط متغيرة

على سبيل المثال، في محرك الإشعال بالشرارة (اقرأ، في محرك البنزين) مع تثبيت FreeValve، يمكنك إزالته بأمان، وكفاءة حتى قوية محرك البنزينسيكون مشابهًا لنسخة الديزل.

ونتيجة لذلك، فإن وحدة الطاقة الناتجة ستكون أرخص من محرك الديزل المعادل، كما يقول FreeValve. على محركات الديزليمكن أيضًا تركيب مشغلات صمامات إلكترونية جديدة، والتي من الناحية النظرية يجب أن تقلل قليلاً من استهلاك المحرك وتحسن بشكل جدي الصداقة البيئية لعادمها.

تكلفة التكنولوجيا الجديدة.إذا أخذنا في الاعتبار علم الاقتصاد، يتبين أن أول 10-100 ألف محرك تم تصنيعها باستخدام هذه التكنولوجيا ستكلف أكثر من الأنواع التقليدية لوحدات الطاقة، ولكن في النهاية، عندما يتم وضع الإنتاج في الإنتاج الصناعي وعند الوصول إلى مستوى معين "الكتلة الحرجة"، ستبدأ تكلفة الأنواع الجديدة من المحركات في الانخفاض تدريجيًا وستصبح في النهاية مساوية لتكلفة محرك الاحتراق الداخلي القياسي.

وفي الوقت نفسه، ستكون هذه المحركات أكثر كفاءة من النماذج التقليدية، وسوف تستهلك وقودًا أقل مع زيادة الطاقة، وستبدأ في إظهار مستويات عزم دوران أكثر قبولًا.

ماذا يحدث إذا أظهر النظام أنه لا يمكن الدفاع عنه؟

ربما يتساءل أتباع تصميم المحرك الكلاسيكي وأولئك الأشخاص الذين يقبلون جميع التحديثات والابتكارات التقنية بحذر عن مدى سوء كل شيء إذا انهار النظام الجديد. وبشكل عام، هل هي موثوقة؟

من الغباء أن ننكر أن أي جهاز، حتى الجهاز الأكثر موثوقية، يمكن أن يتسبب في حدوث خلل مزعج، ويجب ألا ننسى أيضًا عيوب التصميم التي قد لا يتم اكتشافها في المرحلة الأولية من التطوير. والنتيجة متوقعة، وهي انهيار باهظ الثمن. ولكن هنا أيضًا، تمتلك FreeValve قوة تعزية صغيرة في جعبتها.

بشكل لا يصدق، سيكون هذا المحرك قادرًا على أداء وظائفه التشغيلية بشكل طبيعي حتى في حالة تعطل واحد أو أكثر من مشغلات الصمامات، بالطبع سيؤثر ذلك على الطاقة القصوى عند السرعات العالية، ولكن كما يؤكد المطورون، فإن الفرق سيكون ضئيلًا.

يتم توفير خيار الطوارئ لتشغيل المحرك، مما يعني أنه حتى لو تعطلت 75٪ من مشغلات الصمامات، فستكون السيارة قادرة على الوصول بشكل مستقل إلى محطة الخدمة، وقدرة على البقاء لا تصدق. يستمر الاختبار... ولكن الشيء الأكثر أهمية الذي لا يزال المطورون غير قادرين على التغلب عليه هو قدرة تحمل هذا النوع من محركات الأقراص. كل شيء فيه جيد، لكن العائق هو أن النظام لا يعتني بنفسه لفترة طويلة. ومع ذلك، فهذه ظاهرة مؤقتة ويمكن تحييدها، لأن المهندسين، استنادا إلى الحسابات النظرية، وجدوا أن موثوقية مثل هذا النظام يمكن مقارنتها بمحرك الاحتراق الداخلي القياسي. تمت محاكاة مئات إلى ملايين من دورات القيادة ولم يتم اكتشاف أي تآكل ملحوظ. كل ما تبقى هو وضع المعرفة موضع التنفيذ ويمكنك المغادرة.

وتقارن الشركة السويدية تكنولوجيا عمود الحدبات الحالية بالعزف على البيانو بكلتا اليدين، كل منهما مربوطة إلى طرفي نقيض من عصا المكنسة. إن استخدام كل إصبع على حدة، كما يفعل عازفو البيانو، يسمح بالتحكم الفردي في الصمام.

ومما سبق يمكننا أن نستنتج:

1. في الوقت الحالي، من الواضح أن التكنولوجيا بدائية. المحرك غير قادر على الذهاب إلى أبعد من ذلك حيث يمكن للمحركات ذات نظام عمود الحدبات التقليدي أن تذهب دون مشاكل خطيرة.

2. ولكن حتى في هذه المرحلة من التطوير، أظهر النظام أفضل جوانبه. لا يوجد محرك واحد مزود بنظام توزيع غاز قياسي قادر على العمل بطريقة أو بأخرى بشكل طبيعي على الأقل إذا توقفت 75٪ من الصمامات عن العمل (دعونا نتخيل ذلك افتراضيًا). علاوة على ذلك، إذا توقف واحد على الأقل من صمامات محركات الاحتراق الداخلي التقليدية عن العمل بشكل طبيعي، فسوف تفقد أكثر من ذروة الطاقة عند السرعات العالية. وهذا هو، من حيث الأعطال، إذا حدث شيء ما لحزام التوقيت، فمن الواضح أن التكنولوجيا الاسكندنافية متفوقة على جميع أنواع المحركات الأخرى.

زائد آخر. بالنسبة للمحرك الثوري، وفقًا للمهندسين العاملين في المشروع، من المستحيل أن تلتقي الصمامات بالمكابس في حالة كسر الحزام / تمدد السلسلة لأنه ببساطة غير موجود.

الفروق الفنية. FreeValve - أكثر من توقيت الصمام المتغير بالكامل؟

الإجابة المختصرة هي، نعم، إنه أكثر من مجرد محرك ذو توقيت متغير للصمامات، لأن كل صمام محدد يمكن أن يكون له "رفعات" مختلفة، سواء في التوقيت أو في وضع الفتح. يمكن أيضًا فتحه وإغلاقه بسرعات مختلفة، وتغيير التردد؛ ويتم مراقبة ذلك عبر الإنترنت بواسطة نظام الكمبيوتر الموجود على متن الطائرة، وحساب وضع شوط الصمام المطلوب وفقًا لوضع تشغيل المحرك مع دقة رفع تصل إلى 1/10 ملليمتر .

كما ترون، فإن محركات الأقراص (المحركات) قادرة على القيام بذلك بدقة غير عادية، مما يتجاوز أداء المحرك التقليدي بشكل كبير.

سيارات Koenigsegg Hypercars هي سيارات بدأ إنتاجها منذ وقت ليس ببعيد، لكنها أعلنت نفسها بصوت عالٍ ووجدت مكانها في فئة السيارات المماثلة. لقد كانت هناك لحظات كثيرة من هذا القبيل في التاريخ، لكن هذه المشاريع البغيضة انتهت بالفشل. لكنه نجا وتنافس مع النجوم البارزين في عالم المحركات الفائقة.

منذ 15 عامًا، يعمل مهندسو ومصممو كوينيجسيج على مشروع لمحرك بدون عمود كامات لن يكون صمام التحكم. لكن حقيقة عدم وجود صمام خنق، تم إثباتها بالفعل من قبل مهندسي BMW و Fiat، لكنهم لم يتمكنوا من وضع اللمسات الأخيرة على التصميم. قام البافاريون بإزالة المخمد وتركيب نظام تحكم إلكتروني بدلاً منه صمامات السحب. كانت مشكلة الألمان هي أنهم استخدموا محركًا كهربائيًا إضافيًا لتنفيذ مشروعهم، مما أدى إلى تعقيد التصميم بأكمله وأدى بشكل مطرد إلى أعطال إضافية. واجه مهندسو شركة فيات مشكلة أخرى ما زالوا غير قادرين على حلها (فقدان المضخة العالية). اتخذ السويديون طريقًا مختلفًا، تاركين البافاريين والإيطاليين على مشارف التاريخ، حيث كان نظامهم قادرًا على التحكم في جميع الصمامات بشكل منفصل، بشكل مستقل عن بعضها البعض.

إذن ما هو نوع المحرك السويدي بدون عمود الحدبات؟

مشكلة الجميع محركات كبيرة- الشراهة. لذلك قرر السويديون جعل محرك سياراتهم الخارقة اقتصاديًا وقويًا في نفس الوقت. لقد سمع الكثير من الناس عن المحركات السويدية القوية، فمحرك واحد بقوة 1500 حصان في Agera-R يستحق شيئًا ما، لكن استهلاك الوقود وأبعاد المحرك يترك الكثير مما هو مرغوب فيه. تقرر أن نأخذ كأساس المحرك الذي طوره ميكانيكي أمريكي علم نفسه بنفسه، كارميلو سكوديري. جوهر الفكرة هو أنه قسم الأسطوانات إلى عاملة ومساعدة. قام العمال بحرق خليط الوقود وإطلاق غازات العادم، بينما قام العمال المساعدون بحقن الوقود وضغط الخليط. تم توصيل الأسطوانات عن طريق قنوات جانبية تحتوي على صمامين - التمدد والضغط. تمت العملية بنجاح بدون عمود الحدبات.

قرر مهندسو كوينيجسيج تحديث محرك سكوديري وتنفيذ كل شيء في أسطوانة واحدة، ولكن للقيام بذلك كانوا بحاجة إلى تطوير نموذج تقدمي لمشغل الصمام. يجب أن تكون سريعة ودقيقة ودون الالتصاق. وبحلول عام 2000، قاموا ببناء أول محرك بنظام تشغيل مماثل، والذي يستهلك غاز الميثان والهيدروجين. كان مستوى انبعاثات الغازات الضارة في الغلاف الجوي منخفضًا جدًا لدرجة أن المحركات الكهربائية فقط هي التي تكون أقل منه. كان الجميع مهتمين على الفور بمثل هذه الوحدة، وخاصة مشغلها، على الرغم من أنها كانت ضخمة وهوائية ولها اهتزازات عالية ومستوى ضوضاء مرتفع. وبعد 3 سنوات، قام المهندسون بتحديثه بالكامل وإضافة قفل للصمام الهيدروليكي وتقليل حجمه. مرت عدة سنوات أخرى من الترقيات حتى أصبح من الممكن تركيب نموذج أولي كامل على محرك قياسي. أول سيارة من نوعها كانت Saab 95. زادت قوة المحرك بنسبة 30٪، وانخفض استهلاك الوقود بشكل متناسب (بنسبة الثلث أيضًا).

في وصف مبدأ تشغيل محركهم، استخدم المصممون السويديون قصة رمزية مضحكة. واقترحوا تخيل محرك عادي على شكل بيانو ومحاولة العزف عليه بعصا أو ممسحة. وفي محرك كوينيجسيج، تم وضع تفاعل الأصابع والمفاتيح بشكل مباشر، دون وسيط. أيضًا، لكي تكون أكثر إقناعًا، يمكنك مقارنة نظام الحقن الأحادي ونظام الحقن الموزع، عندما يتم حقن الوقود مباشرة في منطقة عمل الأسطوانة، متجاوزًا إطار التوزيع. لقد أثبتت فعالية التأثير الفردي على العمليات المختلفة في المحرك لفترة طويلة ويستخدمها العديد من الشركات المصنعة. ولكن كيف تجعل الصمامات تسمح لأي شيء بالدخول والخروج بدون جهاز خاص ينظم جميع الدورات؟ ولهذا السبب هناك حاجة إلى المحركات السريعة (الدافعات الإلكترونية).

ترسل وحدة التحكم إشارة إلى المشغل، الذي يفتح ويغلق الصمام. تحتوي أذرع الدفع على نوابض هوائية ذات مستويات صلابة قابلة للتعديل وأجهزة استشعار لموضع الصمام. يتم التحكم في خوارزمية التشغيل الكاملة للأسطوانات وجميع أنظمة المحرك المساعدة بواسطة جهاز كمبيوتر، حيث يمكنك من خلاله تغيير توقيت الصمام عدة مرات كما تريد. يمكنك إيقاف تشغيل أي عدد من الأسطوانات في أي وقت.

يمكن للمحرك أن يعمل بالتناوب في دورات مختلفة، اعتمادًا على المهام ومستوى التحميل. يمكن أن يعمل في الوضع القياسي لجميع محركات الاحتراق الداخلي، ويمكن أن يكون اقتصاديًا، ويمكن أن يكون اقتصاديًا للغاية، ويمكن أن يعمل في دورة ذات نسبة ضغط متغيرة (دورة هيدمان). لا يمكن تنفيذ هذه الدورات ضمن تصميم محرك الاحتراق الداخلي القياسي، لذلك يتعين على الشركات المصنعة اتخاذ الاختيارات. على سبيل المثال، يمكن لدورة هيدمان الشهيرة، والتي لا يمكن استخدامها إلا مع توقيت الرفع والصمامات التي يتم التحكم فيها إلكترونيًا، أن تعمل بالتناوب مع مبدأ أوتو (الدورة الديناميكية الحرارية التقليدية لجميع المحركات) أو مبدأ أتكينسون (زيادة الاقتصاد في استهلاك الوقود).

إن تعدد استخدامات هذا المحرك يعني أنه يمكن تشغيله بالبنزين بدرجات أوكتان مختلفة و ديزل. بالإضافة إلى ذلك، فهو أكثر اقتصادا بنسبة 30-50٪، وأقوى بمقدار الثلث، وله عزم دوران أعلى، ويزن أقل، وأكثر إحكاما في الحجم. الوزن الخفيف والأبعاد المدمجة مع القوة الأكبر والاستهلاك المنخفض ستمنح سيارات Koenigsegg الخارقة ميزة كبيرة على منافسيها. تظل مشكلة مستوى الضوضاء واستهلاك الكهرباء والاهتزاز دون حل. ولكن أيضا بالطبع تكلفة التثبيت. سعر هذه المحركات مرتفع جدًا ولا يمكن تخفيضه إلا عن طريق الإنتاج الضخم للسيارات المدنية. بالإضافة إلى ذلك، يمكن استخدام محرك الاحتراق الداخلي هذا ليس فقط باعتباره المحرك الرئيسي، ولكن كمحرك إضافي في الإصدارات الهجينة.

إذا تمكن السويديون من التخلص من المستوى العالي من الضوضاء والاهتزازات، فيمكنهم تحسين تكاليف الطاقة، فسيكون هناك طلب كبير على الوحدة، لأن هذا المحرك له ما يبرره اقتصاديا وممكن. وإذا كان هناك طلب مستقر وإنتاج ضخم، فقد ينخفض ​​السعر إلى المستويات المثلى.

مرشح العلوم التقنية د.سوسنين.

تحتوي دائرة آلية توزيع الغاز في Arkhangelsky على منظم للطرد المركزي يقوم بتغيير لحظات فتح وإغلاق الصمامات اعتمادًا على سرعة العمود المرفقي.

يفتح صمام أرخانجيلسكي عند تشغيل المغناطيس الكهربائي ويغلق بزنبرك العودة.

إن استخدام مغناطيسين كهربائيين لتحريك الصمام يلغي الحاجة إلى نوابض العودة.

في التصميم الجديد لآلية توزيع الغاز، يقع محرك الأقراص على جانب كتلة الأسطوانة. يؤدي استخدام الملفات اللولبية الطويلة إلى زيادة شوط الصمام ويسمح بتعديله على نطاق واسع.

تاريخياً، تطورت صناعة السيارات المحلية في محاولاتها للحاق بنظيراتها الغربية. يمكن حساب النماذج الأصلية حقًا (بما في ذلك، على سبيل المثال، "النصر") على أصابع اليد الواحدة. ومع ذلك، هناك تطورات مثيرة للاهتمام، وتنفيذها من شأنه أن يسمح لشركات صناعة السيارات لدينا بالتنافس بنجاح مع الشركات الأجنبية. نلفت انتباه القراء إلى قصة حول آلية غير عادية اقترحها D. A. Sosnin، الأستاذ المشارك في قسم الهندسة الكهربائية والمعدات الكهربائية في معهد موسكو للسيارات والطرق السريعة (الجامعة التقنية الحكومية). يتيح لك الجهاز التخلي عن استخدام عمود الحدبات التقليدي في المحرك وفي نفس الوقت التحكم بمرونة في توقيت الصمام وسكتة الصمام.

حيث تفشل الإلكترونيات

يسعى أي صانع سيارات إلى التأكد من أن محركات الاحتراق الداخلي (ICE) في سياراته تعمل في الوضع الأمثل: توفير أقصى قدر من الطاقة وعزم الدوران الموحد والحد الأدنى من استهلاك الوقود وأقل سمية لغازات العادم. ومع ذلك، لم يتمكن أحد حتى الآن من تحقيق ذلك بشكل كامل، لأن تحسين بعض الخصائص يؤدي إلى تدهور البعض الآخر. ومع ذلك، فقد تم مؤخرًا تحقيق تقدم كبير من خلال استخدام التحكم الآلي في المحرك مع الاستخدام الواسع النطاق للإلكترونيات.

عند إعداد برنامج لنظام التحكم، يتم وضع المحرك في وضع التشغيل المستقر على منصة اختبار خاصة ويتم ضبط جميع المعلمات بشكل تسلسلي بحيث توفر لهذا الوضع أفضل خصائص الإخراج. ويتم نفس الشيء في أوضاع أخرى. يتم تسجيل النتائج في الذاكرة الدائمة وحدة إلكترونيةفي شكل مخطط متعدد الأبعاد، يتم من خلاله إنشاء إشارات التحكم لاحقًا لكل معلمة.

على سبيل المثال، في المجمع النظام الإلكتروني"Motronic" (ألمانيا)، التي تتحكم في حقن الوقود والإشعال، خمسة مخططات من هذا القبيل: لضبط توقيت الإشعال، ووقت حقن الوقود، وموضع صمام إعادة التدوير (جهاز يعيد جزءًا من غازات العادم إلى الأسطوانة من أجل احتراق أفضل الوقود)، ووقت تراكم الطاقة في ملف الإشعال وموضع الخانق. معلمات الإدخال في هذا النظام هي سرعة المحرك، وعزم الدوران، ودرجة حرارة المحرك، وكذلك الجهد بطارية. عند الخرج، تتم مراقبة امتثال سرعة المحرك مع عزم الدوران ومحتوى أول أكسيد الكربون في غازات العادم.

لسوء الحظ، تحتوي السيارة على نظام لا يمكن تعديله حتى بواسطة إلكترونيات السيارات الأكثر تطوراً. هذه آلية لتوزيع الغاز مع اتصال حركي صارم بين العمود المرفقي وعمود الحدبات.

يعتقد الخبراء أن المحرك الكلاسيكي مثالي تمامًا، وإذا كان يعمل بشكل سيء في بعض الأحيان، فذلك فقط لأنه "يختنق بالعادم الخاص به"؛ بمجرد إعطاء المحرك المزيد من الأكسجين، والسماح له "بالتنفس بعمق"، فلن يكون هناك بديل.

يمكنك مساعدة المحرك إذا تمكنت من تغيير توقيت فتح وإغلاق الصمامات، وخاصة صمامات السحب. أتذكر كيف كان سائقو سباقات البلطيق في أوائل السبعينيات من القرن الماضي

فازت الجمهوريات بالمنافسة من خلال تحقيق سرعات عمود مرفقي تصل إلى 3000 دورة في الدقيقة في وضع الخمول وما يصل إلى 8000 دورة في الدقيقة عند دواسة الوقود الكاملة. وتبين لاحقًا أنهم حصلوا على قالب عمود الحدبات، وأذابوا الحدبات ثم عدلوا شكلها يدويًا. مع أعمدة الكامات هذه، أنتجت المحركات أداءً عاليًا (القوة وعزم الدوران)، ولكن فقط عند السرعات العالية. وهذا أمر جيد بالنسبة للسيارات الرياضية، ولكن بالنسبة للسيارات "الخاصة" فهو غير مقبول. ومع ذلك، تشير هذه الحقيقة إلى الدور المهم الذي يلعبه تأخر أو تقدم مرحلة الصمام.

كيف يمكنك إجبار الصمام على الفتح والإغلاق في اللحظة التي تتوافق مع التشغيل الأمثل للمحرك؟ من الواضح أنه يجب التحكم في توقيت الصمام اعتمادًا على سرعة العمود المرفقي وموضعه وحمله. عمود الحدبات التقليدي لا يحل هذه المشكلة.

ضمن حدود صغيرة، يمكن تعديل نسبة توقيت الصمام باستخدام مشغلات الصمامات الميكانيكية والكهروميكانيكية والهيدروليكية والهوائية. ولكن الأكثر واعدة هو محرك كهرومغناطيسي يتم التحكم فيه بواسطة الإلكترونيات. وبمساعدتها، لا يمكنك تحسين أداء المحرك فحسب، بل يمكنك أيضًا توسيع وظائفه. وبالتالي، يمكن جعل المحرك رباعي الأسطوانات يعمل كمحرك ثنائي أو ثلاثي الأسطوانات عن طريق تغيير ترتيب إشعال الصمام؛ فهو يعمل بشكل متساوٍ تحت الأحمال المتغيرة، ويستهلك وقودًا أقل عند السرعات القصوى لقوة معينة. لن يواجه مثل هذا المحرك مشاكل في تغيير اتجاه دوران العمود المرفقي.

للوهلة الأولى، يبدو كل شيء بسيطًا للغاية، ولكن لسبب ما، لا تزال صمامات الملف اللولبي الموجودة في السيارات موجودة فقط في التطورات التجريبية.

صمام أرخانجيلسك

تمت محاولة تنفيذ فكرة الصمام الكهرومغناطيسي ذو التحكم المرن في منتصف القرن العشرين بواسطة أستاذ MADI V. M. Arkhangelsky. تم تشغيل وإيقاف تشغيل المغناطيسات الكهربائية عندما تم إغلاق وفتح نقاط الاتصال المتصلة بكامات عمود الحدبات. تم إرجاع الصمام إلى مكانه بواسطة زنبرك.

تضمن تصميم أرخانجيلسكي وجود منظم للطرد المركزي على عمود الكامات. عندما تتغير سرعة الدوران، فإنها تغير موضع الكامات وتتسبب في تقدم عملية فتح وإغلاق الصمامات. وهكذا لعب المنظم دورا تعليق. هذا جعل من الممكن الاستغناء عن التحكم في البرنامج، والذي، بالمناسبة، لا يمكن أن يكون موجودا في ذلك الوقت.

لسوء الحظ، على الرغم من أناقة المخطط، لم يكن من الممكن إنشاء تصميم عملي. والحقيقة هي أن الصمام يجب أن يعمل بسرعة ويغلق بشكل موثوق، وبالتالي فإن الربيع العودة مع صلابة عالية مطلوب. وبناءً على ذلك، فأنت بحاجة إلى مغناطيس كهربائي قوي يستهلك تيارًا كبيرًا منه شبكة على متن الطائرةسيارة. في تلك الأيام، لم تكن هناك صمامات قوية لأشباه الموصلات، وسرعان ما احترقت الاتصالات المعدنية عند تبديل التيارات العالية. أخيرًا، عندما تم إغلاق الصمام بواسطة زنبرك الإرجاع، كان هناك تأثير قوي لرأس الصمام على المقعد، مما تسبب في حدوث ضوضاء أثناء تشغيل آلية توزيع الغاز وأدى إلى فشل الصمام بشكل متكرر.

واحد جيد، اثنان أفضل

يمكنك التخلص من العديد من أوجه القصور الكامنة في صمام أرخانجيلسكي إذا قمت بتثبيت اثنين بدلاً من مغناطيس كهربائي واحد - فتحة وإغلاق. تم تطوير مخطط مماثل من قبل أحد طلاب جامعة ولاية توجلياتي في مشروع الدبلوم تحت إشراف دكتور في العلوم التقنية البروفيسور V. V. إيفاشين.

في هذا الإصدار من التصميم، ليست هناك حاجة إلى الينابيع، وبالتالي يمكن أن تكون المغناطيسات الكهربائية أصغر في الحجم والقوة - بعد كل شيء، يتم استهلاك تيار كبير فقط عند إغلاق وفتح الصمامات، والاحتفاظ بها، قوة تيار عشر مرات أقل يكفي.

ولكن الأهم من ذلك، أنه يمكنك الآن الاستغناء عن عمود الحدبات تمامًا، نظرًا لأن وحدة التحكم القابلة للبرمجة - وهي جهاز إلكتروني، عادةً ما يكون على معالج دقيق، يتحكم في تشغيل المحرك وأنظمة السيارة الأخرى - يمكنها ضبط وقت الاستجابة وقوة التيار من خلال المغناطيس الكهربائي لف.

بدأت NAMI، تحت قيادة مرشح العلوم التقنية A. N. Terekhin، في إجراء البحث والتطوير لآلية توزيع الغاز باستخدام محرك صمام كهرومغناطيسي يعتمد على محرك M-412. ونتيجة لذلك، تم إنشاء نموذج أولي عملي لآلية توزيع الغاز باستخدام مغناطيس كهربائي ثنائي الاتجاه على ثمانية صمامات. لكن منذ بداية التسعينيات توقف التمويل، وضاع التطور الواعد في الأرشيف.

منذ عدة سنوات، تم استئناف العمل على آلية توزيع الغاز الجديدة في مصنع Volzhsky للسيارات تحت قيادة كبير مصممي AvtoVAZ P. M. Prusov. وهكذا، من بين مواضيع مسابقة عموم روسيا "السيارة الروسية" (انظر "العلم والحياة" رقم 12، 2002) تم الإعلان عن "تطوير نظام الدفع الكهرومغناطيسي لصمامات توزيع الغاز لمحرك VAZ ذو 16 صمامًا" . تم تقديم مشروعين للمنافسة، لكن كلاهما كانا "غير ذي صلة" على الإطلاق ولم يتم النظر فيهما حتى.

وفي الوقت نفسه، بدأت شركات صناعة السيارات اليابانية والأمريكية و(بأكبر قدر من النجاح) الألمانية العمل على تحسين محرك الصمام اللولبي. بالفعل في عام 2002، بدأت BMW في اختبار آلية توزيع الغاز على محرك حقيقي ذو 16 صمامًا مع محرك كهرومغناطيسي لجميع الصمامات.

تصميم تنافسي

في الوقت نفسه، بدأ تطوير صمامات توزيع الغاز الكهرومغناطيسي في قسم الهندسة الكهربائية والمعدات الكهربائية في مادي (GTU).

على الرغم من أنه في الغرب لم يتم الاعتراف بنا كمنافسين: يقولون: "لقد كنا متخلفين بمقدار 10 أميال" (في لغة السباق هذا ما يقولونه عن لفتين خلفنا، وهو ما يعني ضعفاء)، إلا أن المؤلف حصل على براءة اختراع لتصميم يحل المشكلة معظم المشاكل الكامنة في محركات الأقراص الكهرومغناطيسية.

وبدلاً من تركيب مغناطيسات كهربائية ضخمة فوق الصمامات، فإنها تستخدم ملفات لولبية طويلة. لا يتم تحقيق فرملة القلب في الملف اللولبي الطويل من خلال التوقفات الصلبة، ولكن من خلال المجالات المغناطيسية الحافة، ويصبح تشغيل محرك الأقراص صامتًا. بالإضافة إلى ذلك، يمكن أن يكون شوط الصمام كبيرًا وقابلًا للتعديل حسب الرغبة. تنتقل الحركة الترددية من المغناطيس الكهربائي إلى الصمام من خلال قضيب وذراع متأرجح. بفضل هذا، لا يمكن تثبيت محرك الأقراص فوق كتلة الأسطوانة، ولكن على سطحه الجانبي. ونتيجة لذلك، يتم تقليل ارتفاع المحرك بشكل كبير، ويتم استخدام أنظمة السيارة القياسية لتبريد وتشحيم أجزاء المحرك.

الآن الأمر متروك لبناة المحرك. إذا تمكنا من ترجمة الفكرة إلى معدن، فإن عزم الدوران و سيارة اقتصادية، والتي سوف تلبي أيضًا المتطلبات الأكثر صرامة لنظافة العادم.

والذي لا يتطلب ناقل حركة، تم تطوير محرك احتراق داخلي مبتكر لمدة 15 عامًا - بدون عمود كامات أو صمام خانق. يفهم "المحرك" مبدأ تشغيل الوحدة المعجزة.

####ماذا حدث؟

نشرت الشركة السويدية FreeValve، الشريكة لشركة Koenigsegg السويدية لصناعة السيارات الخارقة، مقطع فيديو يوضح مخطط التشغيل لمحرك احتراق داخلي جديد بشكل أساسي، حيث يتم استخدام مشغلات الصمامات التي يتم التحكم فيها إلكترونيًا بدلاً من عمود الحدبات التقليدي.

يدعي السويديون أن مثل هذا المحرك قادر على استهلاك الوقود بأي رقم أوكتان تقريبًا، وإيقاف تشغيل أي عدد من الأسطوانات، وكذلك العمل في أي من الدورات الديناميكية الحرارية الثلاث الرئيسية.

####من اين أتى؟

تم تطوير محرك جديد بشكل أساسي في أوائل العقد الأول من القرن الحادي والعشرين بواسطة شركة Cargine، التي كان Koenigsegg شريكًا لها منذ عام 2001.

كان الهدف الذي حدده المهندسون السويديون لأنفسهم هو إنشاء محرك اقتصادي وصديق للبيئة لجيل جديد. تم أخذ مفهوم المحرك كأساس من قبل كارميلو سكوديري، حيث تم تقسيم الأسطوانات إلى عاملة ومساعدة. الأول مسؤول عن احتراق الخليط والعادم، والأخير مسؤول عن سحب وضغط خليط العمل. صحيح، على عكس محرك Scuderi، أراد السويديون تنفيذ هذا المخطط داخل أسطوانة واحدة، والتي كانوا بحاجة إلى مشغل صمام سريع ودقيق للغاية.

وفي عام 2000، تم إعداد أول وحدة ذات أسطوانة واحدة قادرة على العمل بالميثان أو الهيدروجين. تبين أن مستوى انبعاثات أكسيد النيتروجين من هذا المحرك منخفض بشكل لا يصدق، لكن صناعة السيارات لم تكن مهتمة حتى بالمحرك نفسه، بل بالدافع المستخدم فيه.

صحيح أن الإصدار الأول من الدافع كان هوائيًا بالكامل وكان به العديد من العيوب: لقد كان كبيرًا جدًا وصاخبًا جدًا ومثقلًا بالاهتزازات. لذلك قرر المهندسون إضافة عنصر هيدروليكي إلى المحركات لتثبيت الصمامات وتوفير تخميد إضافي.

بحلول عام 2003، تم إعداد النموذج الأولي للمشغل، الذي سمحت أبعاده بالفعل باستخدامه على محرك تقليدي، لكن الأمر استغرق عدة سنوات أخرى، قام خلالها المهندسون بتغيير تصميمه عدة مرات، قبل ظهور أول نسخة عاملة حقًا من المحرك. كان نظام التحكم الإلكتروني في الصمامات جاهزًا للاستخدام.

تم تركيب أول محرك نموذجي بدون أعمدة الكامات على عربة المحطة Saab 9-5. وتبين أن خرج هذا المحرك أعلى بنسبة 30 بالمائة من الوحدة التسلسلية، وانخفض استهلاك الوقود بمقدار الثلث. من الواضح أن التكنولوجيا لا تزال بحاجة إلى التحسين والتكيف للاستخدام الشامل، لكن المبدعين الملهمين كانوا يأملون في إطلاق محركات جديدة في الإنتاج الضخم في المستقبل المنظور. كان من المفترض أن تظهر محركات بدون أعمدة الكامات في سيارة Saab 9-3 سيدان الجديدة و9-4X crossover - كانت Cargine جزءًا من تحالف الشركات الاسكندنافية الذي حاول شراء علامة Saab التجارية خلال أزمة عام 2008. ومع ذلك، انتهى هذا المشروع في النهاية بلا شيء، وتم بيع ساب للصينيين.

منذ ذلك الحين، أصبح شريك السيارات الوحيد لشركة Cargine هو Koenigsegg. وقد اعترف رئيسها، كريستيان فون كوينيجسيج، ذات مرة بأنه كان يحلم منذ فترة طويلة باستخدام التطورات التقنية التي حققتها شركته في الآلات ذات الإنتاج الضخم. ربما كان يشير على وجه التحديد إلى المحرك الاقتصادي والفعال بدون عمود الحدبات الذي شارك في تطويره؟

####فكيف تم بناء هذا المحرك؟

"إذا تخيلت أن المحرك عبارة عن بيانو، والصمامات هي مفاتيحه، فإن استخدام عمود الكامات يشبه العزف على الآلة بالممسحة وليس بأصابعك"، يصف كونيجسيج مزايا محركه.

خاصة بها - لأنه تمت إعادة تسمية شركة Cargine لبعض الوقت إلى Freevalve وهي تحت سيطرة مجموعة Koenigsegg. يعمل تسعة مهندسين على مشروع محرك بدون عمود كامات قادر على "تشغيل أي موسيقى".

بدلاً من عمود الحدبات، تتحكم مشغلات كهرومغناطيسية سريعة جدًا في فتح وإغلاق الصمامات بأمر من الكمبيوتر. إنهم يستخدمون نوابض هوائية يمكنها تغيير صلابتها، وأجهزة استشعار خاصة للتحكم في موضع الصمام. تتحكم هذه الأخيرة في موضع الصمامات مائة ألف مرة في الثانية بدقة تبلغ عُشر المليمتر، ويتطلب تشغيلها طاقة أقل بحوالي مائة مرة من نظيراتها من الشركات الأخرى.

يتيح لك هذا التصميم تغيير توقيت الصمام إلى ما لا نهاية، بالإضافة إلى إيقاف تشغيل واستخدام أي عدد من الأسطوانات في أي وقت، اعتمادًا على الأحمال المحددة. يمكن لمثل هذا المحرك أن يعمل وفقًا لدورة أوتو الديناميكية الحرارية التقليدية، ودورة أتكينسون الاقتصادية، بالإضافة إلى دورة ميلر الأكثر تعقيدًا، والتي توفر للمحرك كفاءة واقتصادًا أعلى. بالإضافة إلى ذلك، يمكن لهذا المحرك محاكاة دورة هيدمان بنسبة ضغط متغيرة، والتي يتم التحكم فيها بفضل الصمامات ذات التحكم الكترونياالارتفاع ووقت الافتتاح.

الوحدة الحديثة، التي طورتها شركة Freevalve، أقوى بنسبة 30 في المائة ولديها عزم دوران أعلى عند السرعات المنخفضة مقارنة بنظيراتها من نفس الحجم، ولكنها أيضًا أكثر اقتصادا بنسبة 20-50 في المائة وتنبعث منها نصف كمية المواد الضارة في الغلاف الجوي. وأخيرًا، فهي قادرة على استهلاك البنزين بدرجات أوكتان مختلفة ووقود الديزل.

ويشير كريستيان فون كوينيجسيج إلى أنه يمكن جعل الوحدات الجديدة أكثر إحكاما وأخف وزنا من محركات الاحتراق الداخلي التقليدية عن طريق التخلص من أعمدة الكامات وصمامات الخانق والملحقات ذات الصلة. يمكن استخدام المساحة المحررة لتحسين السلامة أو زيادة المساحة المتوفرة أسفل غطاء المحرك.

####انتظر، ولكن المحركات التي لا تحتوي على دواسة الوقود والتي يتم التحكم فيها إلكترونيًا في رفع الصمامات يتم تصنيعها بالفعل بواسطة شركة BMW وحتى شركة فيات؟

في الواقع، كان البافاريون أول من تخلى عن صمام الخانق، وأدخل نظام التحكم في صمام السحب الذي يتم التحكم فيه إلكترونيًا في آلية توزيع الغاز. ومع ذلك، يستخدم البافاريون نظامًا ميكانيكيًا معقدًا إلى حد ما مع محرك كهربائي إضافي، ولا يزال تصميم Fiat MultiAir لا يحل مشكلة خسائر الضخ الكبيرة.

تقنية Freevalve، بدورها، قادرة على التحكم في جميع الصمامات بشكل مستقل عن بعضها البعض، وتجمع نقاط القوة لجميع الدورات الديناميكية الحرارية الموجودة في وحدة طاقة واحدة.

####متى تتوقع؟

ويعتبر إنتاج محرك بدون أعمدة كامات مبررا اقتصاديا الآن، على الرغم من الحاجة إلى حل المشاكل المتبقية المتمثلة في ارتفاع استهلاك الطاقة ومستويات الضوضاء والاهتزازات. ولكن العيب الرئيسي هو ارتفاع تكلفة الإنتاج. ومع ذلك، قد ينخفض ​​ذلك في حالة التطبيق الشامل للتكنولوجيا الجديدة.