Во-первых, вероятно, важно рассмотреть, что делают клапаны и как они должны работать на четырехтактном двигателе внутреннего сгорания.
Что делают клапаны
По существу, есть впускные клапаны и выпускные клапаны с минимальным количеством каждого из них на поршень, но в автомобилях F1 (и во многих современных дорожных автомобилях) используются по два каждого. В нижеследующем описании будет использоваться «клапан» в единственном числе, но следует понимать, что в многоклапанных двигателях клапаны работают синхронно - то есть, имеет ли двигатель один или два впускных клапана, они находятся в одинаковом положении на каждом мгновенно во времени.
Впускной клапан пропускает топливно-воздушную смесь в цилиндр, когда поршень движется вниз (от клапана), а затем закрывается, так что смесь может сжиматься поднимающимся поршнем. Это тогда зажжено искрой, и получающийся мини-взрыв толкает поршень вниз. Это удар силы. Наконец, поршень возвращается вверх, когда открывается выпускной клапан и выхлопной газ выталкивается из цилиндра.
Как они работают
Как должно быть очевидно из приведенного выше описания, клапаны должны быть точно синхронизированы с работой поршней, движущихся вверх и вниз. Если они выйдут из синхронизации, двигатель будет иметь меньшую мощность (если они немного не работают по времени), либо вообще не будет работать (если они сильно не работают по времени), либо разрушит двигатель, заставив поршни врезаться в клапаны, изгибающие или ломающие клапаны (в некоторых конструкциях). В течение многих десятилетий и до настоящего времени большинство двигателей используют кулачки, чтобы толкать клапан (открывая его), и пружины, чтобы снова закрывать клапан. Это недорогой, надежный, эффективный и хорошо зарекомендовавший себя дизайн, но есть ограничения.
Поехали!
Когда обороты двигателя повышаются, клапаны должны работать быстрее. Автомобиль F1 рассчитан на вращение до 15 000 об / мин в соответствии с действующими правилами; автомобили предыдущих сезонов набирали обороты еще выше. Типичные дорожные машины имеют «красную линию» примерно в два раза меньше. («Красная линия» относится к фактической красной линии на тахометре, которая предназначена для указания «если вы выйдете за пределы этой точки, вероятны серьезные повреждения двигателя!») Когда двигатель вращается так быстро, возникает проблема с пружиной, Во-первых, нужно действовать очень быстро. Мы можем быстрее закрыть клапан, используя более жесткую пружину, но тогда нам нужно тратить больше энергии на сжатие пружины каждый раз, когда кулачок вращается, чтобы закрыть клапан. Кроме того, было обнаружено, что при определенных оборотах двигателя вблизи резонансной частоты пружины клапаны закрываются не так быстро, как следовало бы, поэтому некоторые гоночные двигатели используют две или три концентрических пружины с разными резонансными частотами, чтобы преодолеть это.
Весна в Париже
Один подход, который успешно использовался Renault первоначально (да, я знаю, что они фактически не базируются в Париже, но я не мог удержаться от использования заголовка), и вскоре после этого всеми производителями двигателей F1 был пневматический клапан. По сути, это просто диафрагма, заполненная инертным газом, таким как азот, который действует как пружина, но быстрее. У них также есть преимущество меньшего веса, что всегда интересно гоночным инженерам. Имейте в виду, что, хотя пневматические клапаны могут использоваться на более низких оборотах, проблема, которую они должны решить, заключается в таких высоких оборотах, которые намного превышают те, которые мог выдержать семейный седан, поэтому они (пока) не используются на дороге машины. Есть также система под названием « десмодром«который, по сути, использует две кулачковые лопасти - одну, чтобы открыть клапан, а другую, чтобы закрыть его. Насколько мне известно, он никогда не использовался в F1 ( Простите, Фанхио, потому что я согрешил! В Mercedes-Benz W196 1954 года использовался десмодром клапаны.), и основной пользователь Ducati на своих мотоциклах. Это уже достаточно долго, поэтому я не буду описывать это здесь.
Можем ли мы сделать еще лучше?
Система кулачка, которую я описал, работает хорошо, но это компромисс. Время и продолжительность периодов, в течение которых каждый клапан открыт, определяется формой кулачков распределительного вала и частотой вращения двигателя. В какой-то момент в диапазоне оборотов двигателя определенный кулачковый вал обеспечивает оптимальную продолжительность и время, но только в этой одной точке. Для любой другой частоты вращения двигателя она будет ниже оптимальной с точки зрения эффективности, мощности или того и другого. В идеале, мы хотели бы улучшить управление клапанами, чтобы обеспечить идеальные настройки при более чем одном конкретном значении об / мин.
Как мы можем улучшить управление клапаном?
Есть несколько способов решить эту проблему. Один простой способ сделать это состоит в том, чтобы иметь два кулачковых лепестка на клапан и использовать привод, который изменяет, какой из них фактически открывает клапан. По сути, это именно то, что делает система VTEC Honda . Мы можем добиться еще лучших результатов, постоянно меняя синхронизацию кулачка, что и делают системы Toyota VVT-i, BMW VANOS и Porsche Variocam. Все они имеют возможность незначительно изменять синхронизацию кулачка, чтобы двигатель работал на пиковой мощности в гораздо более широком диапазоне оборотов двигателя.
Это хорошо, но мы можем представить, что пойдем еще дальше. Еще лучше было бы полностью исключить кулачок и использовать, например, соленоид под управлением компьютера. Очевидно, что как соленоид, так и компьютер, управляющий им, должны были бы точно дублировать синхронизацию, которая в настоящее время обеспечивается механически кулачками, но это имеет значительное потенциальное преимущество как в экономии веса, так и в чрезвычайно гибком управлении, позволяющем мгновенные динамические регулировки газораспределения. Тем не менее, оказалось, что это действительно очень трудно достичь на самом деле надежно, поэтому еще не было произведено ни одного серийного двигателя, использующего эту технологию. Ходят слухи, что Кенигсегг близок, но немногие из нас смогут позволить себе один из них.
Какая система регулируемых клапанов используется в F1?
Ответ может вас удивить: ни один из них . Если вы прочитаете Технический регламент Формулы 1 2016 года (а кто нет ?!), вы увидите следующее:
5.9.2. Регулирование фаз газораспределения и регулируемый профиль подъема клапана не допускаются.
Драйв гордый!
Так что у вас есть это. В то время как в двигателях F1 есть много классных технологий, включая пневматические клапанные «пружины», вы можете самодовольно ехать по улице в своей серой грунтовке Honda 1999 года с отсутствующим крылом и помятым капотом, зная, что в вашем двигателе действительно есть технология, которая не У нынешнего автомобиля F1 - переменный фаз газораспределения.