Кулачок, подвинься!

БОГАТОЕ НАСЛЕДСТВО

Оказывается, идея сдвига фаз в зависимости от параметров работы двигателя внутреннего сгорания почти так же стара, как он сам. Первый патент на подобное устройство получил Самуэль Хальтенбергер еще в сентябре 1918 года - более 85 лет назад. Правда, конструктор предназначал это изобретение не автомобильному, а авиационному мотору, а управлял им... по сути, барометр. По мере подъема самолета в более разреженные слои атмосферы диафрагма под воздействием пружины выгибалась наружу и смещала специальную муфту с косо нарезанными зубьями. Ответные зубья были на кулачковом валу, который поворачивался относительно своей ведущей шестерни. В результате на высоте сохранялось хорошее наполнение цилиндров смесью, а мощность мотора почти не падала.

Самое удивительное в этой седой истории, что принцип работы механизма оставался неизменным на долгие десятилетия, вплоть до конца ХХ века. Именно такую муфту установили на кулачковом валу двигателя "Альфа-Ромео" в 1983 году. Смещал ее специальный поршень под воздействием давления масла.

Аналогичные устройства стояли на "фордах", "ягуарах", других автомобилях. Количество патентов достигло 900.

Неудивительно: конструкторы давно поняли, что с помощью механизма сдвига фаз можно заметно экономить топливо, обеспечив оптимальное наполнение цилиндра горючей смесью на любом режиме и при любой температуре. Конечно, удельный расход топлива в граммах на киловатт-час произведенной энергии (см. диаграмму) меняется не "в разы", но эффект заметен. Кроме того, чище становится выхлоп, но самое главное - заметно улучшается характеристика крутящего момента "на низах".

НОВЫЙ СДВИГ

Устройство Хальтенбергера имеет два серьезных недостатка. Во-первых, удлиняет двигатель, что при нынешней плотной компоновке моторного отсека весьма неудобно. Во-вторых, чтобы достичь лучших показателей, нужно сдвигать фазы плавно - бесступенчато, чутко подстраиваясь к работе мотора. Увы, механизм с косозубой муфтой четко работает лишь в двух крайних положениях. Впрочем, бывают исключения, например VANOS у БМВ.

Сегодня на двигателях с регулируемыми фазами внутри ведущей звездочки на кулачковом валу размещают своеобразный гидромотор с почти плоским ротором. Масло, попадая в камеры этого мотора через электромагнитные клапаны, поворачивает ротор на тот или иной угол, сдвигая связанный с ним кулачковый вал. Такой механизм, как правило, называют VaneCAM.

Механизм удобен еще и тем, что представляет собой функционально законченный узел, который можно изготовить отдельно на специализированном предприятии. Монтаж на двигатель требует минимальных доработок. Разумеется, необходимы управляющая гидравлика и электроника.

Сегодня с фазами "играют" практически все ведущие мировые производители, притом даже на "малобюджетных" моделях. Например, на 1,6-литровом моторе К4М нового " Рено Меган" установлен бесступенчатый VaneCAM, сдвигающий кулачковый вал в пределах 22,5°. Отдельную "гидростанцию" не ставили, давление обеспечивает штатный масляный насос. Управляют этим "хозяйством" электронные "мозги", оценивающие скорость вращения коленчатого вала, нагрузку и температуру мотора, задающие угол установки кулачков впускных клапанов. В результате выигрыш в мощности составил 3 кВт, в крутящем моменте - 8%. Важнее, однако, что 90% от максимального крутящего момента двигатель выдает в диапазоне от 2000 до 5750 об/мин. Переключать передачи можно реже, а разгоняться резвее. Vane-CAM позволил сделать в коробке передач дополнительную повышающую ступень, что снизило расход топлива до 6,8 л/100 км.

ВЕЧНОЕ ДВИЖЕНИЕ

Конструкторы БМВ сделали следующий шаг, научившись регулировать не только фазы, но и высоту подъема клапанов и избавившись от дроссельной заслонки, съедавшей изрядную долю мощности.

Пока этого добились с помощью хитроумной и суперточной механики, но в перспективе - управление клапанами вовсе без кулачковых валов с помощью электромагнитов. Нужно лишь подождать, когда появятся недорогие мощные стартер-генераторы для бортовой сети напряжением 42 В, иначе не обеспечить обмотки соленоидов нужной электрической мощностью. Зато компьютер сможет задать любой сдвиг по фазе, отключить любой цилиндр и вообще получит над мотором почти безраздельную власть.

Механизм Double VANOS (по-немецки - Doppel VANOS) управляет не только впускными, но и выпускными клапанами.

Чертеж Самуэля Хальтенбергера к патенту № DE368775.

VaneCAM на двигателе "Рено-К4М" и во взаимосвязи с остальными узлами.