Inside MotoGP: Как работает пневматический привод клапанного механизма Honda RC213V

МОТОГОНКИ.РУ, 26 февраля 2019 - Пневматический привод клапанного механизма был разработан HRC в 2007 году, а затем, в 2008 активно внедрялся в MotoGP, причем, прямо по ходу сезона.

Пилоты MotoGP всегда хотя от своих мотоциклов, чтобы они давали больше мощности. Все команды работают над этим, но в очень жестких рамках: высокая мощность повышает требования ко всей системе, к шасси и электронике. Известно, что эффективной мощностью можно назвать ту, с который вы можете справиться. Тюнинговые компании по всему миру работают под лозунгом «Мы можем дать и 500 л.с. на колесе! А вы готовы их взять?»

Есть три традиционных способа увеличить мощность двигателя: увеличить его рабочий объем, поставить нагнетатель (турбину) или повысить рабочие обороты.

В MotoGP объем и форматы двигателя, как и максимально допустимые размеры поршней строго ограничены регламентом. Установка турбин на прототипы запрещена. Остается только повышение оборотов. Но сейчас предельный уровень уже достигнут всеми производителями, так что Дирекция MotoGP ограничивает обороты электронно, чтобы сбалансировать положение частных и заводских команд разных производителей.

К границам возможного (с технической точки зрения) в MotoGP подошли уже в 2015-2016 годах, теперь же инженеры занимаются тонкой настройкой этой сложнейшей системы. Но 10 лет назад поле для деятельности было просто не паханным.

Первое - и самое главное ограничение, которое накладывает на overtune сама природа - это выносливость деталей ЦПГ двигателя, заложенная производителем. В MotoGP каждая деталь изготавливается индивидуально из специально подготовленных материалов. Процесс напоминает ковку многослойного меча-катаны. На сборку мотора RC213V вместе с производством всех запасных частей уходит порядка трех месяцев. Каждый двигатель в MotoGP должен обеспечить пилоту 1500 км пробега в самых жестоких условиях эксплуатации.

Второй предел - механическое устройство классического привода клапанного механизма, основанное на использовании стальных пружин, которые возвращают клапан в исходное состояние после открытия. Главным недостатком механизма является высокая инертность каждой детали: при значительном повышении оборотов коленчатого вала система просто не успевает отрабатывать цикл открытия-закрытия клапана, и можно наблюдать эффект «зависания» клапанов в открытом состоянии. Ведь клапаны открываются и закрываются более 140 раз в секунду!.. Другая проблема, выносливость пружин, которые в таком жутком темпе просто лопаются пополам, а это уже чревато разрушением всего двигателя и большой аварией.

В ходе разработки двигателя для RC212V инженеры Honda вплотную подошли к границам работоспособности классического клапанного механизма. Переход на 800-кубовые двигатели V4 в 2007 году вынудил их сделать шаг за пределы возможного - найти решение: ведь для сохранения скоростей и конкурентоспособности нужно увеличить скорость вращения коленчатого вала еще, как минимум, на 2500-3000 об./мин. по сравнению с 990-кубовыми V5.

С открытием клапана нет никакой проблемы, поскольку за это отвечают кулачки на распределительном валу - они механически толкают клапаны через коромысла, которые затем возвращаются в исходное положение, и так по кругу. Но между коромыслом и клапаном существует зазор, отсутствует жесткая прямая связь. Инженеры взяли на вооружение технологию, разработанную Renault F1 Team еще в 80-х годах: пружинный механизм решили заменить пневматическим, в котором сжатый воздух принудительно открывает и закрывает клапаны.

Идея, воплощенная Renault F1 Team в 80-х

Из курса физики мы знаем, что любой газ, попадая в контейнер, стремится заполнить его весь (при этом просто меняется его плотность). Инженеры решили заменить пружины гибкими воздушными контейнерами: при подаче сжатого воздуха они наполняются и расширяются, толкая клапан вперед; затем сжимаются до исходного состояния, возвращая клапан назад.

Замена металлических пружин также помогла значительно облегчить клапанный механизм, снизив его инертность, повысив надежность и скорость срабатывания, а также точность открытия (высоту подъема клапана в седле). В итоге, в Honda добились существенного снижения потребления топлива.

В первых системах использовался сжатый воздух, сегодня используется азот, имеющий более стабильную структуру и меньший вес, чем воздух, и азот предельно устойчив к перепадам температур, практически не распадается на атомы даже при +2500 градусов.

«Пневмопружина» - это небольшой гибки цилиндр, окружающий шток клапана и имеющий плотное крепление к нему посредством двух гибких мембран. Прочность контейнера позволяет нагнетать в него азот под давлением от 10 до 16 бар (его регулирует электронная система, входящая в состав ECU). Коромысло толкает клапан вниз, открывая его. Затем коромысло поднимается, и в контейнер поступает порция сжатого азота, посредством которого мембраны меняют форму и плотно притягивают клапан к седлу.

В 2007 году весь сжатый воздух помещался в баллоне объемом около 2 литров, этот объем расходовался постепенно, и баллон приходилось перезаряжать каждые 20-30 минут. К 2008 году в HRC довели время работы системы до 45 минут.

Привод клапанного механизма Honda RC213V

Сейчас система замкнута. И все же, учитывая, условия работы и температурный режим, не миновать незначительных потерь и стравливания, поэтому в пневмосистеме присутствуют несколько компенсационных бачков с запасом азота под давлением в 200 бар. Они «перезаряжаются» в боксе команды с помощью обычного компрессора, обычно, не чаще раза за каждую сессию.

Электроника постоянно контролирует давление в системе и может добавлять азот из компенсационных бачков. Часть отработанного азота попадает в утилизатор, заполненный маслом, которое затем стравливают.

Применение пневматического привода клапанного механизма позволяет раскручивать двигатель до 20000 об./мин. Но правилами MotoGP обороты ограничены на отметке 18000 об./мин. Пиковая мощность на заднем колесе при этом может достигать 280 л.с. и даже больше.

Расчетная пиковая скорость прототипа Honda RC213V в идеальных условиях может составить 368 км/ч.

Рекорд MotoGP, зафиксированный на данный момент, принадлежит 1000-кубовому Ducati GP18 (Андреа Довициозо, Mugello) - 356.5 км/ч.

А вот среди 800 куб. см. (2007-2011) быстрейшим был именно Honda RC212V - 349.3 км/ч

Десмодромный привод Desmosedici

Чем так хорош десмодромный привод Ducati? В его механизме полностью отсутствуют пружинки, поскольку клапан приводится в движение двойным коромыслом, которое его механически открывает и закрывает, что фактически полностью снимает вопрос с работоспособностью системы и зависимости от оборотов.