По-перше, напевно, важливо переглянути, що роблять клапани та як вони повинні працювати на чотиритактному двигуні внутрішнього згоряння.
Що роблять клапани
По суті, є впускні клапани і випускні клапани з мінімальним розміром по одному на кожен поршень, але автомобілі F1 (і багато сучасних дорожніх автомобілів) використовують два з кожного. У наступному описі буде використовуватися "клапанний" сингулярний, але слід розуміти, що в багатоклапанових двигунах клапани працюють синхронно - тобто, чи має двигун один або два впускних клапана, вони знаходяться в одному положенні при кожному миттєвий у часі.
Впускний клапан вводить паливно-повітряну суміш у циліндр, коли поршень рухається вниз (подалі від клапана), а потім закривається, щоб суміш могла стискатися піднімається поршнем. Потім він запалюється іскрою, і отриманий міні-вибух штовхає поршень назад вниз. Це сильний удар. Нарешті, поршень повертається назад, коли випускний клапан відкривається, а відпрацьований газ виштовхується з циліндра.
Як вони працюють
Як видно з наведеного вище опису, клапани повинні бути точно синхронізовані з роботою поршнів, що рухаються вгору і вниз. Якби вони вийшли з синхронізації, двигун мав би меншу потужність (якщо вони трохи не вичерпані), або взагалі не працюватимуть (якщо вони сильно відстають від часу) або руйнують двигун, викликаючи врізання поршнів у клапани, згинаючи або розриваючи клапани (у деяких конструкціях). Протягом багатьох десятиліть і до теперішнього часу більшість двигунів використовують кулачки, щоб натиснути клапан вниз (відкривши його) і пружини, щоб знову закрити клапан. Це недорогий, надійний, ефективний та добре перевірений дизайн, але є обмеження.
Ходімо в гонки!
Коли оберти двигуна зростають, клапани повинні йти швидше. Автомобіль F1 розрахований на обертання до 15 000 об / хв відповідно до чинних норм; Автомобілі попередніх сезонів відзначалися ще вище. У типових автомобілів, що їдуть на дорозі, є "червона лінія" приблизно вдвічі менше. ("Червона лінія" відноситься до фактичної червоної лінії на тахометрі, яка призначена для позначення "якщо ви виходите за межі цієї точки, ймовірні серйозні пошкодження двигуна!") Коли двигун рухається так швидко, пружина стає проблемою. По-перше, потрібно діяти дуже швидко. Ми можемо зробити його швидше закрити клапан, використовуючи більш жорстку пружину, але тоді нам потрібно витрачати більше енергії на стиснення пружини кожного разу, коли кулачок обертається, щоб закрити клапан. Далі було встановлено, що при певних оборотах двигуна поблизу резонансної частоти пружини клапани не закриваються так швидко, як слід, тому деякі гоночні двигуни використовують для подолання цього дві-три концентричні пружини з різною резонансною частотою.
Весняний час у Парижі
Один із підходів, який Renault використовував спочатку успішно (так, я знаю, що насправді вони не базуються в Парижі, але я не міг протистояти використанню заголовка), і незабаром усіма виробниками двигунів F1 був пневматичний клапан. По суті, це лише діафрагма, наповнена інертним газом, таким як азот, який діє як пружина, але швидше. Вони також мають перевагу меншої ваги, що завжди цікавить інженерів-гоночників. Майте на увазі, що хоча пневматичні клапани можуть використовуватися при менших оборотах, проблема, яку вони мають вирішити, полягає в таких високих оборотах, набагато вище тих, що сімейний седан може витримати, тому вони не (ще) використовуються в дорозі автомобілі. Існує також система, яка називається " десмодромна"" , Який по суті використовує два кулачка - один , щоб відкрити клапан , а інший , щоб закрити його. Наскільки мені відомо , він ніколи не був використаний в F1 ( Прости мене Фанхіо, бо я згрішив! Тисячі дев'ятсот п'ятьдесят чотири Mercedes-Benz W196 використовували Desmodromic клапани.), а основним користувачем є Ducati у своїх мотоциклах. Це вже досить довго, тому я не опишу його тут.
Чи можемо ми зробити ще краще?
Система кулачків, яку я описав, працює добре, але це компроміс. Час і тривалість періодів, коли кожен клапан відкритий, фіксуються формою часток розподільного вала та швидкістю обертання двигуна. У якийсь момент діапазону обертів двигуна конкретний вал кулачків забезпечує оптимальну тривалість і терміни, але лише в цій точці. Для будь-якої іншої частоти обертів двигуна він буде нижчим оптимальним з точки зору ефективності, потужності або обох. В ідеалі, ми хотіли б краще контролювати клапани, щоб забезпечити ідеальні настройки при більш ніж одному конкретному значенні об / хв.
Як можна покращити управління клапаном?
Існує ряд способів вирішити це. Один з простих способів зробити це - мати дві кулачкові долі на клапан і використовувати привід, який змінює, який саме відкриває клапан. Це по суті саме те, що робить VTEC система Honda . Ми можемо зробити ще краще, постійно змінюючи часові кулачки, що і робить Toyota VVT-i, VANOS BMW та системи Variocam Porsche. Всі вони мають можливість трохи змінювати час кулачків, щоб двигун працював на піковій потужності в набагато більш широкому діапазоні частот обертів двигуна.
Це добре, але ми можемо уявити, що йти далі. Ще краще було б повністю усунути кулачок і використовувати, наприклад, соленоїд під контролем комп'ютера. Очевидно, що і соленоїд, і керуючий ним комп'ютер повинні були б точно дублювати терміни, які в даний час механічно забезпечуються кулачками, але це має значну потенційну перевагу як в економії ваги, так і в надзвичайно гнучкому управлінні, що дозволяє миттєво динамічно регулювати часу вентилів. Однак це виявилося дуже важко реально досягти надійно, тому досі не було вироблено виробничих двигунів, які б використовували цю технологію. По чутках, Кенігсегг є поруч, але мало хто з нас зможе дозволити собі одну з таких.
Яка система змінних клапанів використовується у F1?
Відповідь може вас здивувати: жоден з них . Якщо ви ознайомитесь з Технічними регламентами Формули-1 2016 (а хто ні ?!), ви побачите це:
5.9.2 Змінні терміни роботи клапанів і системи змінних профілів підйому клапанів не дозволяються.
Драйв гордий!
Так ось у вас це є. Незважаючи на те, що в двигунах F1 є багато крутих технологій, включаючи пружинні пружини "пружини", ви можете самовільно їхати по вулиці у своєму ґрунтовці-сірому Honda Prelude 1999 року з відсутнім крилом і пом'ятим капотом, знаючи, що ваш двигун насправді включає технологію, яку немає поточний автомобіль F1 має - змінні терміни клапана.