Đầu tiên, điều quan trọng là phải xem lại những gì van làm và cách chúng hoạt động trên động cơ đốt trong bốn thì.
Van làm gì
Về cơ bản, có các van nạp và van xả với tối thiểu một trong mỗi pít-tông, nhưng xe F1 (và nhiều xe đường hiện đại) sử dụng hai trong số đó. Mô tả sau đây sẽ sử dụng số ít "van", nhưng nên hiểu rằng trong các động cơ đa van, các van hoạt động đồng bộ - nghĩa là, cho dù động cơ có một hoặc hai van nạp, chúng ở cùng một vị trí ngay lập tức trong thời gian.
Van nạp cho phép hỗn hợp nhiên liệu / không khí vào xi lanh khi piston di chuyển xuống (ra khỏi van) và sau đó đóng lại để hỗn hợp có thể được nén bởi piston tăng. Sau đó, nó bị đánh lửa bởi một tia lửa và vụ nổ nhỏ gây ra đẩy pít-tông xuống. Đó là đột quỵ sức mạnh. Cuối cùng, piston quay trở lại khi van xả mở ra và khí thải được đẩy ra khỏi xi lanh.
Chúng hoạt động như thế nào
Như đã rõ ràng từ mô tả ở trên, các van phải được đồng bộ hóa chính xác với hoạt động của piston di chuyển lên và xuống. Nếu chúng không được đồng bộ hóa, động cơ sẽ có ít năng lượng hơn (nếu chúng hơi tắt thời gian) hoặc hoàn toàn không chạy (nếu chúng hết thời gian) hoặc phá hủy động cơ bằng cách khiến pít-tông đâm vào các van, uốn hoặc phá vỡ các van (trong một số thiết kế). Trong nhiều thập kỷ, và cho đến thời điểm hiện tại, hầu hết các động cơ sử dụng cam để đẩy van xuống (mở nó) và lò xo để đóng van lại. Đó là không tốn kém, đáng tin cậy, hiệu quả và một thiết kế đã được chứng minh, nhưng có những hạn chế.
Hãy đi đua nào!
Khi tốc độ động cơ tăng lên, các van phải đi nhanh hơn. Một chiếc xe F1 được thiết kế để xoay tối đa 15.000 vòng / phút theo quy định hiện hành; những chiếc xe của mùa trước đã tăng cao hơn. Những chiếc xe đường trường điển hình có "lằn ranh đỏ" ở khoảng một nửa. ("Đường màu đỏ" dùng để chỉ đường màu đỏ thực tế trên máy đo tốc độ nhằm chỉ ra "nếu bạn vượt quá điểm này, có khả năng hỏng động cơ nghiêm trọng!") Khi động cơ quay nhanh như vậy, lò xo sẽ gặp sự cố. Đầu tiên, nó cần phải hành động rất nhanh. Chúng ta có thể làm cho nó đóng van nhanh hơn bằng cách sử dụng một lò xo cứng hơn, nhưng sau đó chúng ta cần tiêu tốn nhiều năng lượng hơn để nén lò xo mỗi khi cam quay để đóng van. Hơn nữa, người ta thấy rằng ở tốc độ động cơ nhất định gần tần số cộng hưởng của lò xo, các van không đóng lại nhanh nhất có thể, vì vậy một số động cơ xe đua sử dụng hai hoặc ba lò xo đồng tâm với tần số cộng hưởng khác nhau để khắc phục điều này.
Mùa xuân ở Paris
Một cách tiếp cận đã được sử dụng thành công bởi Renault ban đầu (vâng, tôi biết họ không thực sự có trụ sở tại Paris, nhưng tôi không thể cưỡng lại việc sử dụng tiêu đề) và ngay sau đó bởi tất cả các nhà sản xuất động cơ F1 là van khí nén. Về cơ bản, nó chỉ là một màng chắn chứa đầy khí trơ như nitơ hoạt động như lò xo, nhưng nhanh hơn. Họ cũng có lợi thế về trọng lượng thấp hơn, điều luôn được các kỹ sư đua xe quan tâm. Hãy nhớ rằng trong khi van khí nén có thể được sử dụng ở tốc độ RPM thấp hơn, thì vấn đề họ muốn giải quyết là ở mức RPM cao như vậy vượt xa những chiếc xe gia đình có thể chịu được, vì vậy đó là lý do tại sao chúng chưa được sử dụng trên đường ô tô. Ngoài ra còn có một hệ thống gọi là " desmodromic"về cơ bản sử dụng hai thùy cam - một để mở van và một để đóng van. Theo hiểu biết của tôi, nó chưa từng được sử dụng ở F1 ( Hãy tha thứ cho tôi Fangio, vì tôi đã phạm tội! Chiếc Mercedes-Benz W196 đời 1954 được sử dụng để khử mùi van.), và người dùng chính là Ducati trong xe máy của họ. Điều này đã đủ dài, vì vậy tôi sẽ không mô tả cái đó ở đây.
Chúng ta có thể làm tốt hơn không?
Hệ thống cam tôi đã mô tả hoạt động tốt, nhưng đó là một sự thỏa hiệp. Thời gian và thời gian của các giai đoạn mà mỗi van được mở được cố định bởi hình dạng của các thùy trục cam và tốc độ của động cơ. Tại một số điểm trong phạm vi RPM của động cơ, một trục cam cụ thể cung cấp thời lượng và thời gian tối ưu, nhưng chỉ tại một điểm đó. Đối với mọi tốc độ động cơ khác, nó sẽ là tối ưu phụ về hiệu quả hoặc sức mạnh hoặc cả hai. Lý tưởng nhất, chúng tôi muốn kiểm soát tốt hơn các van để đảm bảo các cài đặt lý tưởng ở nhiều hơn một giá trị RPM cụ thể.
Làm thế nào chúng ta có thể cải thiện kiểm soát van?
Có một số cách để giải quyết điều này. Một cách đơn giản để làm điều đó là có hai thùy cam trên mỗi van và sử dụng bộ truyền động thay đổi cái nào thực sự mở van. Đó chính xác là những gì hệ thống VTEC của Honda làm. Chúng tôi có thể làm tốt hơn nữa bằng cách liên tục thay đổi thời gian cam, đó là những gì VVT-i, các hệ thống Variocam của BMW làm. Tất cả đều có khả năng thay đổi thời gian cam một chút để động cơ hoạt động ở công suất cực đại trong phạm vi tốc độ động cơ rộng hơn nhiều.
Điều đó tốt, nhưng chúng ta có thể tưởng tượng sẽ còn tiếp tục. Thậm chí tốt hơn là loại bỏ hoàn toàn cam và sử dụng, ví dụ, một điện từ dưới sự điều khiển của máy tính. Rõ ràng cả điện từ và máy tính điều khiển nó sẽ phải nhân đôi chính xác thời gian hiện đang được cung cấp bởi các máy quay, nhưng nó có một lợi thế tiềm năng đáng kể trong cả tiết kiệm trọng lượng và trong điều khiển cực kỳ linh hoạt cho phép điều chỉnh động từng khoảnh khắc thời gian van. Tuy nhiên, điều này đã được chứng minh là rất khó để thực sự đạt được một cách đáng tin cậy, vì vậy chưa có động cơ sản xuất nào được sản xuất sử dụng loại công nghệ này. Koenigsegg được đồn đại là thân thiết, nhưng ít người trong chúng ta sẽ có khả năng mua một trong số đó.
Những hệ thống van biến được sử dụng trong F1?
Câu trả lời có thể làm bạn ngạc nhiên: không ai trong số họ . Nếu bạn đọc qua Quy định kỹ thuật công thức 1 năm 2016 (và ai không?!) Bạn sẽ thấy điều này:
5.9.2 Hệ thống hồ sơ nâng van biến thiên và van biến thiên không được phép.
Lái xe tự hào!
Vì vậy, có bạn có nó. Mặc dù có rất nhiều công nghệ tuyệt vời trong các động cơ F1, bao gồm cả "lò xo" van khí nén, bạn có thể lái xe xuống đường một cách khéo léo trong chiếc Honda Prelude 1999 màu xám với tấm chắn bùn bị mất và mui xe bị móp méo biết rằng động cơ của bạn thực sự kết hợp công nghệ mà không xe F1 hiện tại có - thời gian van biến đổi.