Оптимизированный газообмен и меньшее трение – экономия топлива
Патрик Солтик и его команда в лаборатории Empa Automotive Powertrain Technologies вместе со специалистом по гидравлике Вольфгангом Шнайдером изобрели и разработали электрогидравлический клапанный механизм, который значительно более гибок, чем современные технологии серийного производства. Клапаны приводятся в действие гидравлически и управляются электрически через соленоидную катушку.
Как только течет управляющий ток, открывается специально разработанный гидравлический клапан, позволяя гидравлической жидкости открыть газообменный клапан до желаемой степени за миллисекунды против пружины. Когда ток отключается, газообменный клапан снова закрывается силой пружины и передает большую часть гидравлической энергии, необходимой для открытия, обратно в гидравлическую систему. Система обеспечивает значительно более низкую потребность в энергии в широком рабочем диапазоне по сравнению с системами с приводом от распределительного вала. Вместе с оптимизированным газообменом расход топлива испытательного двигателя с искровым зажиганием примерно на 20 процентов ниже, чем при обычном управлении клапанами с использованием дроссельной заслонки в сочетании с распределительными валами в диапазоне низких нагрузок, типичных для легковых автомобилей.
Адаптируется к возобновляемым видам топлива
Выбирая рабочие параметры, можно без ограничений выбирать время открытия и закрытия, а также высоту подъема клапана для каждого цилиндра. Это означает, что каждое рабочее состояние двигателя можно изменять от цикла к циклу, например, с помощью интеллектуального управления нагрузкой, путем выбора количества остаточного газа, остающегося в цилиндре (рециркуляция выхлопных газов), или путем деактивации ненужных цилиндров без уведомления водителя.
Это делает двигатель легко адаптируемым к новым возобновляемым видам топлива: например, кислородсодержащее топливо, такое как метанол или этанол, позволяет большему количеству остаточного газа оставаться в цилиндре. Природный газ, биогаз и синтез-газ, генерируемый ветровой и солнечной энергией, обладают улучшенными антидетонационными свойствами, и клапанный механизм также может гибко реагировать на это. Кроме того, сравнительно легко могут быть реализованы альтернативные концепции горения, например, гомогенное самовоспламенение: топливно-воздушная смесь воспламеняется в нужный момент без искр зажигания, устанавливая правильные условия ближе к концу сжатия.
Смесь сгорает практически без загрязнений.
Головка блока цилиндров без масла
Еще одна особенность системы, созданной в Empa, – это выбор гидравлической жидкости: вместо обычного масла используется водно-гликолевая смесь, т.е.е. охлаждающая вода двигателя, можно использовать.
Благодаря своим физическим свойствам, эта среда очень подходит для гидравлических систем с быстрым переключением, поскольку она очень жесткая и, следовательно, создает меньше гидравлических потерь. Это делает головку блока цилиндров полностью безмасляной, что позволяет использовать более дешевое моторное масло с увеличенными интервалами замены для остальной части двигателя.
Несколько месяцев тестовой эксплуатации
В рамках проекта FlexWork, финансируемого SFOE, новый клапанный механизм был введен в эксплуатацию в двигателе легкового автомобиля, работающем на природном газе и производном от VW 1.Двигатель 4л TSI. Необходимые компоненты были изготовлены на собственном цехе Empa.
Система управления испытательным двигателем была разработана самими исследователями Empa. Клапанный механизм эксплуатируется на испытательном стенде двигателя Empa с октября 2018 года и уже безупречно выдержал многие миллионы циклов при работе двигателя с принудительным зажиганием.
Для управления клапанами FlexWork требуются только недорогие компоненты. Не требуются дорогостоящие клапаны с очень быстрым переключением и не требуются сложные датчики.
Система клапанного механизма была представлена техническим специалистам в журнале MTZ Worldwide 16 августа. Empa ведет переговоры с производителями двигателей о передаче этой технологии, которая подходит не только для двигателей внутреннего сгорания, но и для компрессоров.