Układy zaworów Formuły 1

W poście było stwierdzenie, że zawory Formuły 1 są pneumatyczne lub magnetyczne. Czy są dostępne na rynku ciągi zaworów napędzane magnetycznie lub pneumatycznie? Kiedy zaczęli używać tego rodzaju zaworów? Czy to oznacza, że ​​nie mają wałków rozrządu i są kontrolowane przez komputer?

Po pierwsze, prawdopodobnie ważne jest sprawdzenie, co robią zawory i jak powinny działać na czterosuwowym silniku spalinowym.

Co robią zawory

Zasadniczo istnieją zawory dolotowe i zawory wydechowe z co najmniej jednym na tłok, ale samochody F1 (i wiele nowoczesnych samochodów drogowych) używają dwóch z nich. Poniższy opis będzie używał liczby pojedynczej „zawór”, ale należy rozumieć, że w silnikach wielozaworowych zawory działają synchronicznie - to znaczy niezależnie od tego, czy silnik ma jeden czy dwa zawory dolotowe, znajdują się w tym samym położeniu na każdym natychmiast.

Zawór wlotowy wpuszcza mieszankę paliwowo-powietrzną do cylindra, gdy tłok przesuwa się w dół (od zaworu), a następnie zamyka, aby mieszanka mogła zostać ściśnięta przez podnoszący się tłok. Następnie jest zapalany przez iskrę, a wynikowy mini-wybuch popycha tłok z powrotem. To udar mózgu. W końcu tłok wraca do góry, gdy otwiera się zawór wydechowy, a spaliny są wypychane z cylindra.

Jak oni pracują

Jak powinno być oczywiste z powyższego opisu, zawory muszą być dokładnie zsynchronizowane z działaniem tłoków poruszających się w górę i w dół. Gdyby wyłączyły się z synchronizacji, silnik miałby mniej mocy (jeśli nieco przestałby taktować) lub w ogóle nie pracowałby (jeśli byłby poważnie wyłączony) lub zniszczyłby silnik, powodując uderzenie tłoków zawory, zginanie lub łamanie zaworów (w niektórych wersjach). Przez wiele dziesięcioleci, i do chwili obecnej, większość silników używa krzywek do dociskania zaworu (otwieranie go) i sprężyn do ponownego zamykania zaworu. To niedrogi, niezawodny, wydajny i sprawdzony projekt, ale istnieją ograniczenia.

Chodźmy ścigać się!

Gdy prędkości silnika rosną, zawory muszą działać szybciej. Samochód F1 jest zaprojektowany do obracania się z prędkością do 15 000 obrotów na minutę zgodnie z obowiązującymi przepisami; samochody z poprzednich sezonów rwiały się jeszcze wyżej. Typowe samochody drogowe mają mniej więcej połowę tej wartości. („Czerwona linia” odnosi się do rzeczywistej czerwonej linii na obrotomierzu, która ma oznaczać „jeśli przekroczysz ten punkt, prawdopodobne jest poważne uszkodzenie silnika!”) Gdy silnik obraca się tak szybko, sprężyna staje się problemem. Po pierwsze, musi działać bardzo szybko. Możemy sprawić, by szybciej zamykał zawór za pomocą sztywniejszej sprężyny, ale wtedy musimy wydawać więcej energii na ściskanie sprężyny za każdym razem, gdy krzywka się obraca, aby zamknąć zawór. Ponadto stwierdzono, że przy pewnych prędkościach silnika w pobliżu częstotliwości rezonansowej sprężyny zawory nie zamykają się tak szybko, jak powinny, więc niektóre silniki wyścigowe wykorzystują dwie lub trzy koncentryczne sprężyny o różnych częstotliwościach rezonansowych, aby temu zaradzić.

Wiosna w Paryżu

Jednym z podejść, które pierwotnie zastosowało Renault (tak, wiem, że tak naprawdę nie mają siedziby w Paryżu, ale nie mogłem się oprzeć przed nagłówkiem), a wkrótce potem wszyscy producenci silników F1 byli zaworem pneumatycznym. Zasadniczo jest to po prostu przepona wypełniona gazem obojętnym, takim jak azot, który działa jak sprężyna, ale szybciej. Zaletą ich jest także mniejsza waga, co zawsze jest interesujące dla inżynierów wyścigowych. Należy pamiętać, że chociaż zawory pneumatyczne mogą być używane przy niższych obrotach, problem, który mają rozwiązać, to tak wysokie obroty znacznie powyżej tych, które może wytrzymać rodzinny sedan, dlatego nie są (jeszcze) używane na drodze samochody. Istnieje również system o nazwie „ desmodromic"Które zasadniczo wykorzystuje dwa płaty kamery - jedną otworzyć zawór i innym, aby go zamknąć. O ile mi wiadomo nie zawsze był używany w F1 ( Wybacz Fangio, bo zgrzeszyłem! 1954 Mercedes-Benz W196 zatrudniony Desmodromic zawory.), a głównym użytkownikiem jest Ducati w swoich motocyklach. To już wystarczająco długo, więc nie opiszę tego tutaj.

Czy możemy zrobić jeszcze lepiej?

System kamer, który opisałem, działa dobrze, ale jest to kompromis. Czas i czas trwania okresów, w których każdy zawór jest otwarty, są ustalane przez kształt płatów wałka rozrządu i prędkość silnika. W pewnym momencie zakresu obrotów silnika konkretny wałek rozrządu zapewnia optymalny czas i czas, ale tylko w tym jednym punkcie. Dla każdej innej prędkości silnika będzie ona nieoptymalna pod względem wydajności, mocy lub obu. Idealnie chcielibyśmy mieć lepszą kontrolę zaworów, aby zapewnić idealne ustawienia przy więcej niż jednej określonej wartości RPM.

Jak możemy poprawić kontrolę zaworów?

Istnieje wiele sposobów rozwiązania tego problemu. Jednym prostym sposobem na to jest posiadanie dwóch krzywek krzywkowych na zawór i użycie siłownika, który zmienia, który faktycznie otwiera zawór. Zasadniczo dokładnie tak działa system VTEC Hondy . Możemy to zrobić jeszcze lepiej, stale zmieniając ustawienia rozrządu, tak jak robią to Toyota VVT-i, BMW VANOS i Porsche Variocam. Wszystkie mają możliwość nieznacznego różnicowania rozrządu krzywki, dzięki czemu silnik pracuje z maksymalną mocą w znacznie szerszym zakresie prędkości obrotowych.

To dobrze, ale możemy sobie wyobrazić, że pójdziemy jeszcze dalej. Jeszcze lepiej byłoby całkowicie wyeliminować kamerę i zastosować na przykład solenoid pod kontrolą komputera. Oczywiście zarówno elektrozawór, jak i komputer sterujący musiałyby dokładnie powielać czas, który jest obecnie zapewniany mechanicznie przez krzywki, ale ma znaczącą potencjalną zaletę zarówno pod względem oszczędności masy, jak i niezwykle elastycznej kontroli, umożliwiając dynamiczne regulacje z dnia na moment rozrządu zaworowego. Okazało się to jednak bardzo trudne do osiągnięcia w sposób niezawodny, dlatego nie wyprodukowano jeszcze silników produkcyjnych wykorzystujących tego rodzaju technologię. Mówi się, że Koenigsegg jest blisko, ale niewielu z nas będzie stać na jedno z nich.

Który system zaworów zmiennych jest używany w F1?

Odpowiedź może cię zaskoczyć: żadne z nich . Jeśli przeczytasz Przepisy techniczne Formuły 1 2016 (a kto nie ?!), zobaczysz to:

5.9.2 Zmienne systemy rozrządu i zmienny profil podnoszenia zaworu są niedozwolone.

Jedź dumny!

Więc masz to. Podczas gdy w silnikach F1 jest wiele fajnych technologii, w tym pneumatyczne „sprężyny” zaworów, możesz z satysfakcją jechać ulicą w swojej pierwotnie szarej preludium Hondy z 1999 roku z brakującym błotnikiem i wyszczerbioną maską, wiedząc, że twój silnik faktycznie wykorzystuje technologię, której nie ma obecny samochód F1 ma - zmienny rozrząd zaworowy.