Двигун внутрішнього згоряння працює на благо людства вже понад півтора століття. Щоб не втратити роботу, в найближчі роки дідка доведеться змінитися до невпізнання.
Електрична розетка стала символом прогресу. Стенди більшості автокомпаній на минулому в січні Детройтському автосалоні буквально били струмом, а будь-яка згадка про старий добрий ДВС звучало поганим тоном. Так що ж - двигун внутрішнього згоряння з тріском накрився капотом? Не поспішайте з співчуттями. По-крайней мере там же, в Детройті, представник Toyota Коеі Сага на питання репортерів про те, коли ДВС, нарешті, вийде з гри, простодушно відповів: «Ніколи! Коли скінчиться нафта, людство буде заправляти його воднем ».
Аналітики американського Департаменту енергетики DOE вважають, що ДВС може попихтіти ще кілька десятиліть. Причому приріст ефективності бензинових і дизельних двигунів до 2020 року може скласти 30%, а до 2030-го - 50%. Технології, які допоможуть домогтися цих результатів, тестуються вже сьогодні.
всюдисуще полум'я
У далекому 1978 році група вчених японського інституту Clean Engine Research, які намагалися оптимізувати процес згорання палива в двотактних мотоциклетних моторах, випадково зафіксувала незвичайний феномен, названий HCCI (Homogeneous charge compression ignition). При досягненні певного тиску в камері бензинового двотактники загоряння паливо-повітряної заряду відбувалося без іскри свічки запалювання. Але найцікавіше - замість звичного запалювання суміші близько свічки і подальшого розповсюдження полум'я на периферію в камері одночасно виникало безліч мікровогнищ загоряння. Як наслідок, суміш згоряла при більш низькій, ніж зазвичай, температурі, дуже швидко і практично повністю. Наявний в той час математичний апарат і рівень розвитку термодинаміки не дозволили зрозуміти причини виникнення феномена HCCI, і його вважали курйозом. Через 20 років в арсеналі інженерів з'явилися потужні засоби комп'ютерного моделювання, які допомогли відкрити завісу таємниці над HCCI. Роботи в цій галузі в кінці 1990-х років почалися в Німеччині (Mercedes-Benz, Volkswagen), Японії (Nissan) і Америці (General Motors).
Американський інженер Джон Заєць запропонував власну концепцію ДВС, близьку до двигуна з роздільним циклом Scuderi. Винахідник стверджує, що його двигун на 15% економічніше дизеля і на 30% - бензинового аналога по потужності. У двигуні Заяця повітря з циліндра стиснення потрапляє в камеру, в якій створюється підвищений тиск паливної суміші, на 40% більше звичайного рівня для бензинових моторів. Камера, її форма, принцип роботи, дизайн і матеріали для виготовлення захищені 19 патентами. Повітря в ній поєднується з паливом і займається. Процес згоряння суміші за часом набагато триваліший, ніж в звичайному ДВС. Всередині камери створюється особливе середовище - «гаряча стіна», яка є фактично акумулятором енергії - незмінна температура і тиск в ній зберігаються в 10-100 разів довше, ніж в камері згоряння звичайного мотора. Потім розпечені гази через спеціальний клапан потрапляють в робочий циліндр. Простота, мінімімальное кількість деталей і ефективність розробки Zajac Motors привернули пильну увагу автогігантів. У 2009 році у Заяця з'явилися серйозні партнери - General Motors і канадська Magna.
Для утворення однорідного паливо-повітряної хмари з гранично низькою щільністю до складу суміші вводяться гарячі відпрацьовані гази. Вони швидко розігрівають цей коктейль, полегшуючи його перемішування усередині камери. Якщо в умовах класичного прямого вприскування палива розпилюється у вигляді аерозолю, то в HCCI суміш являє собою дрібний туман. Коли поршень стискає суміш до певного обсягу, температура підскакує до точки самозаймання. Від згоряння HCCI характерно відсутністю відкритого полум'я і більш низькою, ніж у дизельних двигунів, температурою. В результаті частка згорілого палива зростає до 95-97% в порівнянні з 75% в циклах Отто і Дизеля. Причому на багатих сумішах HCCI не працює - йому потрібні майже гомеопатичні частки палива, на 30 і більше відсотків біднішими, ніж у кращих сучасних ДВС.
Проте відпрацьована технологія HCCI - поки що справа майбутнього. Термодинаміка процесу надзвичайно складна і вимагає від учених рішення маси проблем. Головні з них - нестійка робота на холостих і максимальних обертах, неконтрольована детонація залишків суміші і нерівномірність розподілу паливо-повітряної хмари в камері. Правда, в останні місяці хороші новини з'являються підбадьорливо регулярно. Фахівці General Motors повідомляють, що зуміли приборкати стихію на малих обертах, а британські інженери з Lotus заявляють, що побудували працюючий прототип супердвигун Omnivore, «знизу доверху» підтримує процес HCCI. На думку віце-президента компанії Bosch Хеннінга Шнайдера, автомобілі з витратою палива в межах 3 л на 100 км, оснащені ДВС з технологією HCCI, стануть серійними вже в 2015 році. У Volkswagen підхід більш обережний - компанія розробляє новий двигун, що працює з використанням свічок запалювання при повному навантаженні і на холостому ходу, а в середньому діапазоні оборотів - в режимі HCCI. Інженери Nissan також не стоять на місці - нещодавно вони оголосили про створення потужного софта, що дозволяє створити комп'ютерну модель феномена HCCI, і вже почали працювати над власним супердвигун.
Розподіл праці
У великодній ранок 2001 року інженер Кармело Скудері зібрав в своєму будинку все сімейство і урочисто повідомив, що розробив ДВС нового типу, який переверне світ. Детальний опис технології помістилося в декількох рукописних блокнотах - старий не жалував комп'ютер і всі свої розрахунки робив на логарифмічною лінійці. У 2002 році Кармело, тільки почавши консультації з вченими Університету Саутвест, помер від інфаркту. Справу батька взяли в свої руки діти Скудері, і лише через вісім років діє прототип двигуна з розділеним циклом (Split-Cycle Combustion SCC) був представлений на Всесвітньому конгресі Товариства автомобільних інженерів SAE в Детройті. Треба сказати, що концепція розділеного циклу не нова. Ще в 1891 році американська компанія Backus Water Motor Company випускала малими серіями такі мотори, але вони не набули поширення, і ідея сто років пролежала на полиці.
У двигуні Отто кожен поршень послідовно здійснює такти всмоктування, стиснення, робочого ходу і випуску. У розробці Скудері обов'язки по-братськи діляться між парними циліндрами: один призначений для впуску і стиснення, інший - для робочого такту і випуску відпрацьованих газів. Циліндри з'єднуються між собою каналами з клапанним механізмом, за якими стисла топливовоздушная суміш надходить в робочий циліндр. Двигун Скудері складається з двох таких пар.
У циклі Отто робочий хід відбувається на кожному другому обороті колінчастого вала, в двигуні Скудері - на кожному. Поділ функцій циліндрів дозволяє більш ефективно використовувати кожен з них, наприклад, збільшити хід робочого поршня і тривалість згоряння палива, не перевищуючи допустимої ступеня стиснення палива. Запалювання суміші відбувається після того, як робочий поршень починає рухатися вниз, на відміну від звичайного двигуна з випередженням запалювання. Розрахунки показують, що поділ циклу дає набагато більш високу ступінь стиснення суміші і швидке і повне її згоряння.
У камері згоряння двигуна з системою HCCI (Homogeneous charge compression ignition) одночасно виникає величезна кількість мікровогнищ загоряння. Екологічні характеристики HCCI вражають. Якщо процес згоряння солярки в дизельних двигунах викликає підвищене утворення сажі і окисів азоту, то більше «холодного» HCCI ці болячки невідомі. За словами Херманна Миддендорфа, керівника проекту з розробки суперкомпактні бензинових моторів EA111 компанії Volkswagen, агрегати типу HCCI зможуть обійтися без дорогого каталізатора.
Сини Кармело вдосконалили конструкцію двигуна, додавши до неї балон зі стисненим повітрям. Повітря надходить в робочий циліндр, покращуючи процес згоряння суміші. При цьому відпрацьовані гази мотора Скудері містять на 80% менше вуглекислого газу і окисів азоту, ніж у традиційних четирехтактніков. ККД мотора Скудері на 5-10% вище, ніж у самих просунутих сучасних дизельних турбоагрегатів. Додавання наддуву збільшує розрив по ККД до 25-50%.
У 2008 році двигун SCC привернув увагу кількох великих автовиробників, включаючи PSA Peugeot Сitroёn і Honda, які підписали з Scuderi Group угоди про доступ до вивчення запатентованої технології. Німецький Daimler і італійський Fiat також публічно підтвердили високий інтерес до мотору Скудері. Компанія Robert Bosch уклала контракт зі Scuderi Group на розробку компонентів до SCC в надії, що одного разу ця технологія стане серійною. А видатний фахівець з термодинаміки з Массачусетського технологічного інституту професор Джон Хейвуд назвав розділений цикл згоряння реальною альтернативою HCCI. Налагодити складання таких ДВС в промислових масштабах на існуючих заводах нескладно - ніяких екзотичних матеріалів і нестандартних технологічних операцій для цього не потрібно.
всеїдний двотактники
Багато фахівців з ДВС сьогодні роблять ставку на механізм змінною ступеня стиснення VCR (Variable Compression Rate). Ще в березні 2000-го інженери Saab представили прототип автомобіля з експериментальним бензиновим двигуном 1,6 л з технологією SVC (Saab Variable Compression). Цей мотор видавав 228 к.с. і 305 Н • м крутного моменту, споживаючи при цьому на 30% менше палива, ніж звичайні аналоги по потужності.
За минулі десять років технологія VCR зробила величезний крок вперед. Французька компанія MCE оголосила недавно про створення двигуна MCE-5VCR. Ступінь стиснення в ньому змінюється в межах від 7: 1 до 20: 1, а витрата палива 1,5-літрового мотора на 30% нижче, ніж у аналогів. Американська Envera розробляє 4-циліндровий бензиновий VCR об'ємом 1,85 л зі ступенем стиснення від 8,5: 1 до 18: 1. Робота фінансується Департаментом енергетики США. Цільова потужність мотора становить 300 л.с.- майже 162 к.с. на 1 л об'єму. Розрахунковий максимальний крутний момент перевищує 400 Н • м при 4000 оборотах вала. Ключовий елемент конструкції - гідравлічний актуатор, який повертає ексцентрик, пов'язаний з коленвалом двигуна. Хитання ексцентрика піднімає і опускає вал щодо головки блоку циліндрів, змінюючи ступінь стиснення від 8,5 до 18: 1.
Далі за всіх в розробці технології VCR просунулася знаменита Lotus Engineering. На Женевському автосалоні в березні 2009 року британці представили свій концептуальний ДВС Omnivore ( «Всеїдний»). Двотактний бензиновий мотор з прямим уприскуванням палива і змінним ступенем стиснення від 10: 1 до 40: 1, за заявою інженерів Lotus, здатний перетравлювати будь рідке паливо і при цьому економічний і екологічно чистий.
П'ять тактів, три циліндри
На виставці Engine EXPO 2009 британська компанія Ilmor Engineering представила концептуальний пятітактний ДВС. Ідея автора концепції Герхарда Шмітца полягає в використанні чотирьох- і двотактної схеми в одному агрегаті. Три циліндра пятітактного ДВС мають різний внутрішній діаметр. Маленькі перший і третій працюють за звичайним чотиритактному циклу. Середній, низького тиску, - на залишковому розширенні відпрацьованих газів в двотактному режимі. Під час перших трьох тактів суміш, як зазвичай, всмоктується, стискається і здійснює робочий хід в малих циліндрах. Під час четвертого такту відпрацьовані гази переміщаються з малих циліндрів у великій і стискаються. Залишковий розширення вихлопу в великому циліндрі обумовлює п'ятий, робочий такт.
Omnivore - це моноблок з суцільнолитими блоком і головкою. Робочий об'єм двигуна - всього 0,5 л. Одне з головних переваг моноблока - відсутність вироблення діаметра циліндра. У звичайних ДВС знос відбувається через мікронних рухів болтів в місцях кріплення головки до блоку. Інноваційний вловлює клапан CTV (Charge Trapping Valve) у випускному тракті дозволяє варіювати час відкриття випускного клапана в широкому діапазоні. Система вприскування FlexDI з тиском 6,5 атм для Omnivore створена австралійською компанією Orbital. Вона дозволяє готувати збалансовану суміш всередині циліндра незалежно від виду палива. Така суміш є базовою для режиму HCCI, а система управління уприскуванням - основою для управління параметрами HCCI.
Механізм зміни ступеня стиснення Omnivore являє собою рухливу шайбу у верхній частині циліндра, що рухається за рахунок обертання пари ексцентриків. У нижній позиції шайби ступінь стиснення досягає 40: 1. У шайбу інтегрований один з інжекторів FlexDI, а другий, нерухомий, вбудований в корпус циліндра. Випробування продемонстрували надійну роботу Omnivore в режимі HCCI у всьому діапазоні оборотів, при цьому він з солідним зазором вклався в рамки нормативів Євро-6.
Чому британці взялися за двотактний конфігурацію? «Lotus Engineering, як і багато інших автокомпанії, довго дотримувалася чотиритактних концепцій. Це наслідок історичного домінування таких агрегатів. Проблема таких ДВС - неефективне спалювання палива на часткових і екстремальних навантаженнях. Двотактники не страждають на цю недугу і тому вкрай цікаві для автоіндустрії. Крім того, вони не вимагають компактизации », - пояснює Джеймі Тернер, головний інженер Lotus Engineering. За оцінками Lotus, комерціалізація Omnivore займе ще півтора-два роки.
Стаття опублікована в журналі «Популярна механіка» ( №3, Лютий 2010 ).
Так що ж - двигун внутрішнього згоряння з тріском накрився капотом?