Автопортал || Авто - статьи

Сельскохозяйственная техника
Чтение RSS

А не поспішай ти ДВС ховати: сьогодення і майбутнє двигуна внутрішнього згоряння

  1. всюдисуще полум'я
  2. Розподіл праці
  3. всеїдний двотактники
  4. П'ять тактів, три циліндри

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 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.

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 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 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?