До настоящего времени газообменные клапаны четырехтактных двигателей контролировались через приводы распределительных валов. Несмотря на некоторую сложную дополнительную механику, гибкость такой системы с приводом от распределительного вала остается ограниченной. В настоящее время компания Empa разработала инновационную систему клапанов с электрогидравлическим приводом, которая позволяет полностью свободно регулировать ход и время, в то же время будучи надежной и экономически эффективной.
Стандарты выбросов ЕС были впервые введены в действие в декабре 1992 года, что привело к огромным изменениям в автомобильной промышленности. С тех пор каждые пять лет, или около того, этот невероятно влиятельный набор стандартов ужесточается для автопроизводителей. Это вынуждает их искать способы снижения вредных выбросов выхлопных газов, «выжимая» из капли бензина как можно больше, одновременно улучшая показатели мощности и производительности двигателя.
Очевидно, что полностью электрические транспортные средства являются золотым стандартом, когда речь идет об окружающей среде, но и переход к эпохе электромобилей, похоже, потребует больше времени, чем ожидалось.
Несмотря на стремление производителей перевести всю модельную линейку автомобилей на электрическую тягу, инженеры со всего мира продолжают совершенствовать двигатель внутреннего сгорания. Разработка группы исследователей из швейцарского государственного института Empa позволяет снизить расходы горючего на 20%.
Идея замены привода клапанов с распределительным валом, который блокирует время открытия, закрытия и измерения подъема впускных и выпускных клапанов, привлекает большое внимание. Грубые, механические изменения фаз газораспределения, такие как Honda VTEC и недавно объявленная Hyundai система Continuously Variable Valve Duration, могут помочь в этом, но для того, чтобы получить максимальную отдачу от технологии, необходимо полностью отделить клапаны от коленчатого вала и достичь точного электронного управления, при открытии и закрытии впускного или выпускного клапана.
Предложенная инженерами электрогидравлическая установка FlexWork позволяет отказаться от классического распределительного вала и значительно повысить эффективность ДВС.
Разработчики ставили перед собой цель создать надёжную и экономичную систему клапанов, стоимость производства которых существенно ниже в сравнении с системами на базе распредвала. Технология FlexWork подразумевает управление клапанами посредством электромагнитных катушек. При подаче напряжения на обмотку, катушки открывают клапан. При отключении напряжения клапан возвращается в закрытое положение при помощи пружины. В результате расходуется минимум энергии.
уменьшается вес движка, стоимость изготовления, происходит отказ от многих запчастей (например, не потребуется замена ремня ГРМ). Уменьшенный мотор можно ставить не только спереди, но и размешать сзади, что поменяет дизайн машин.
По сути эта система похожа на распределенный впрыск, управляемый ЭБУ. Где так же независимо управляются клапаны, и можно мгновенно корректировать момент открытия и длительность, ориентируясь на показания датчиков, что невозможно при классической схеме с распредвалами. Такая система позволяет оптимизировать работу двигателя на всех режимах – это разумно и перспективно.
Протестировав свою разработку на 1,4-литровом двигателе TSI Volkswagen, инженеры Empta выяснили, что их клапанная установка позволяет экономить до 20% топлива. Испытания начались ещё в октябре 2018 года, и по свидетельству авторов проекта, двигатель успешно работает до настоящего времени. Один из самых многообещающих моментов в проекте FlexWork — низкая цена компонентов. Это позволяет уменьшить себестоимость производства моторов и конечную цену на автомобили с двигателем внутреннего сгорания.
Другой особенностью системы, установленной в Empa, является выбор гидравлической жидкости: вместо обычного масла можно использовать водно-гликолевую смесь, то есть охлаждающую воду двигателя. Благодаря своим физическим свойствам, эта среда подходит для быстро переключающихся гидравлических систем, так как она жесткая и, следовательно, создает меньше гидравлических потерь. Это делает головку блока цилиндров полностью безмасляной, т.е. можно использовать более дешевое моторное масло, при этом, менять его реже.
Выбирая рабочие параметры, время открытия и закрытия, а также подъем клапана для каждого цилиндра можно выбирать абсолютно без ограничений.Это означает, что каждое рабочее состояние двигателя можно варьировать от цикла к циклу, например, с помощью интеллектуального управления нагрузкой, путем выбора количества остаточного газа, остающегося в цилиндре (рециркуляция отработавших газов), или путем отключения ненужных цилиндров без уведомления водителя. Это делает двигатель легко адаптируемым к новым возобновляемым видам топлива. Кислородсодержащие топлива, такие как метанол или этанол, например, позволяют большему количеству остаточного газа оставаться в цилиндре.
Природный газ, биогаз и синтез-газ, вырабатываемый ветряной и солнечной энергией, обладают повышенными антидетонационными свойствами, и клапанная система также может гибко реагировать на это. Кроме того, альтернативные концепции сгорания также могут быть реализованы сравнительно легко, например, однородное самовозгорание: топливно-воздушная смесь зажигается в нужный момент без искр зажигания. Смесь сжигается практически без загрязнения окружающей среды.
