Задолго до мертвой точки

ТЕХНИКА

Тенденции

БУДУЩЕЕ ДВС

ЗАДОЛГО ДО МЕРТВОЙ ТОЧКИ

МАКСИМ САЧКОВ

Двигателю внутреннего сгорания более века. Скептики уже лет двадцать назад считали, что творения Николауса Отто и Рудольфа Дизеля достигли пика в развитии. Но бензиновым и дизельным агрегатам пока рано в отставку. Ведь поршневой мотор сильно изменился: отработаны невиданные ранее технологии, появились более прочные и легкие материалы. Уже никого не удивляют клапаны и роторы турбокомпрессоров из керамики. О более широком распространении этого материала говорить пока рано. Основное направление деятельности конструкторов-двигателистов - улучшение смесеобразования и уменьшение неизбежных потерь.

Попробуем, опираясь на современные серийные и перспективные разработки, заглянуть в будущее ДВС.

ТОПЛИВНАЯ ИНЪЕКЦИЯ

Эра карбюратора давно закатилась, да и электронному впрыску традиционной конструкции жить осталось уже недолго. Заманчиво подавать бензин не во впускной коллектор, а непосредственно в камеру сгорания, как в дизельных моторах.

Первыми на этом пути добились успеха японцы, опробовавшие моторы GDI (Gasoline Direct Injection - непосредственный впрыск бензина) на модели " Мицубиси Каризма". При небольших нагрузках двигатель работает на очень бедных смесях. Поджечь такую тяжело, поэтому топливо впрыскивают в конце такта сжатия, а поршни хитрой формы направляют смесь непосредственно к электродам свечей. В камере сгорания идет так называемое послойное смесеобразование. При средних и высоких нагрузках топливо подается дважды: при ходе поршня вниз и в конце такта сжатия.

Десяти-пятнадцатипроцентная экономия бензина в двигателях GDI по сравнению с обычными впрысковыми моторами особенно заметна на режимах, когда агрегат работает в треть силы. Обогащенная смесь подается прямо к электродам свечи, а у стенок цилиндра - чистый воздух. Но бесплатных пирожных не бывает - при сгорании резко повышается температура, а вместе с ней и количество окислов азота (NOx) в выхлопных газах. Приходится ставить дорогой нейтрализатор в системе выпуска, который превращает вредные оксиды в безобидные азот и кислород. Кроме того, мотору с непосредственным впрыском требуется топливо с минимальным количеством серы - обычный бензин быстро выведет из строя систему нейтрализации.

Некоторые фирмы уже разработали двигатели с непосредственным впрыском, способные переваривать и обычный бензин. Системы управления отслеживают, чтобы на всех режимах смесь была гомогенной (однородной). Поэтому с оксидами азота в одиночку справляется трехкомпонентный нейтрализатор. Однако платить за это приходится чуть большим расходом топлива по сравнению с моторами GDI. Но владельцы БМВ 7-й серии или нового "Порше-Каррера", который должен появиться через год, могут с этим смириться.

Совершенствование топливной аппаратуры - одно из перспективных направлений и для конструкторов дизельных моторов. В ближайшее время насосы высокого давления, даже управляемые электроникой, будут все чаще уступать место насос-форсункам. Ведь рабочее давление у ТНВД значительно ниже. Но и у насос-форсунок есть недостатки. Даже под управлением электроники они не могут впрыскивать топливо в любой момент, в отличие от системы с общей топливной рампой "коммон рейл". Но давление в рампе ниже, чем в насос-форсунке. Поэтому в ближайшее время будут применять обе конструкции.

ВНИМАНИЕ, ВОЗДУХ!

Один из способов увеличения момента и мощности - менять давление воздуха на впуске. Многие фирмы уже делают впускные трубопроводы с изменяемой геометрией. На минимальных оборотах воздух идет к камере сгорания по длинному пути, на повышенных - открывается короткий трубопровод.

В ближайшей перспективе длину впускных каналов будут изменять не ступенчато, а плавно. Например, такая конструкция уже работает на моторах БМВ. Вращающийся барабан с электроприводом за секунду способен увеличить путь воздуха от 231 до 673 мм. До 3500 об/мин работает длинный канал, а с ростом оборотов он укорачивается.

Кроме того, баварские мотористы предлагают изменять высоту подъема клапана в зависимости от режима работы мотора. "Вэлвтроник" (Valvetronic) уже прописался на серийных двигателях. Дополнительный эксцентриковый вал управляет рычагами, которые ограничивают ход впускных клапанов. Дроссельная заслонка, создающая воздуху дополнительное сопротивление, теперь не нужна. Правда, окончательно от нее пока не отказались - она работает при прогреве и в аварийном режиме. Производители заявляют, что при низких и средних нагрузках "Вэлвтроник" экономит около 10% топлива. Подобные конструкции уже обкатывают и другие фирмы.

Еще один способ управлять поступающим в цилиндры воздухом - смещать фазы газораспределения. Поворачивая распредвал, можно изменять момент открытия и закрытия клапанов. Тем самым улучшается наполнение цилиндров, а следовательно, растут мощность и момент, снижается расход топлива, уменьшается количество вредных веществ в отработавших газах.

Многие фирмы предлагают варианты таких конструкций, некоторые уже прижились на серийных моторах. Кстати, оригинальная отечественная конструкция испытана для моторов ВАЗ (ЗР, 1999, № 2) и, возможно, появится на перспективных моделях.

ОТТО И ДИЗЕЛЬ В КОМПАНИИ С ВОЛЬТОМ

В моторных боксах БМВ уже проходит испытания двигатель с электромагнитным приводом клапанов. Вместо кулачков распредвала открывать и закрывать клапаны будут соленоиды, естественно, под неусыпным контролем электроники. Управляющая программа в зависимости от оборотов, нагрузки, температуры в нужный момент откроет и закроет клапан.

В этом моторе скрыта и еще одна новинка, которая вскоре обещает стать массовой. Специалисты объединили стартер и генератор, а разместили прибор прямо на маховике. Новая конструкция (кстати, похожие решения применяли еще до войны, в частности, на немецких ДКВ) позволяет сэкономить драгоценное место под капотом, кроме того, не нужны приводные ремни и шестеренки.

В будущем конструкторы освободят мотор от некоторых навесных агрегатов. В первую очередь, исчезнут механические насосы, отбирающие у двигателя драгоценные силы. Первенцы - электронасосы гидроусилителей руля, которые уже работают на многих автомобилях. Недалек день, когда свое место займет электропомпа системы охлаждения с изменяемой производительностью, позволяющая точнее выдерживать заданную температуру.

Развитие электронных систем сдерживает нынешний 12-вольтовый стандарт. Чтобы привести в движение многочисленные электроприводы и электронасосы, необходима большая мощность, поэтому надо поднять бортовое напряжение втрое. Уже в ближайшее время начнется переход на новый стандарт, и к началу следующего десятилетия большинство автомобилей уже будут "высоковольтными".

ПЕРЕМЕННЫЕ КОНСТАНТЫ

На протяжении всей истории моторостроения такой важный параметр, как степень сжатия, давали мотору при рождении на всю жизнь. Но пару лет назад фирма СААБ представила миру двигатель с подвижной головкой блока и, как следствие, изменяемой степенью сжатия (ЗР, 2000, № 5). Чтобы повысить КПД, ее увеличивали при максимальной мощности и понижали на режиме частичных нагрузок. Широкого распространения конструкция пока не получила, в первую очередь, из-за технологических проблем и дороговизны. Однако идея продолжает будоражить умы инженеров.

Оригинальную схему испытывает "Мерседес". Головка и блок неподвижны, а степень сжатия изменяется за счет "смещения" мертвых точек (ЗР, 2002, № 3). Специалисты готовятся изменять еще одну константу - рабочий объем. Речь идет не об отключении цилиндров, а об изменении геометрии. Но об этом говорить пока рано.

ГАЗОВАЯ АТАКА

В угоду экологии и экономии производители экспериментируют с газовым топливом. У пропан-бутана, хорошо знакомого многим водителям, перспектив не много, поскольку его получают при перегонке нефти, запасы которой не безграничны. Альтернативы - метан и водород.

Но, в отличие от пропан-бутана, более легкие газы не обеспечивают большого запаса хода. Топливного резервуара хватает лишь на пару сотен километров. Чтобы увеличить пробег, предлагают использовать не сжатый, а сжиженный газ. Основная проблема в том, что он долго не хранится. Уже через неделю содержимое баллона уменьшится вдвое.

Производители предлагают компромисс в виде двухтопливных автомобилей, работающих, помимо бензина, на сжатом метане или водороде. Во впускном коллекторе рядом с бензиновыми установлены газовые форсунки, а системе управления поручено следить и за подачей газа. Этой темой занимаются многие фирмы, в том числе и отечественные (ЗР, 2001, № 2). Однако, учитывая возникающие проблемы, в ближайшее время метан или водород вряд ли полностью вытеснят бензин и дизтопливо. Значит, детища Отто и Дизеля, совершенствуясь, пока сохранят свое положение.

Правда, по прогнозам, запасов нефти хватит еще лет на пятьдесят, если, конечно, новые месторождения не найдут где-нибудь на Луне или Марсе. У двигателей внутреннего сгорания все же должны появиться достойные конкуренты. Для начала - уже входящие в жизнь гибридные силовые установки, более экономичные. Вероятно, именно они в ближайшее время потеснят "одинокий" поршневой мотор. Впрочем, гибриды - тема отдельного разговора, мы вернемся к ней в ближайших номерах.

Бензиновый двигатель 1,4 FSI 16V (Fuel Stratified Injection) с непосредственным впрыском мощностью 63 кВт/ 86 л. с. разгоняет " Фольксваген Поло" до 178 км/ч, сжигая в среднем около 5 л/100 км.

Система нейтрализации вредных газов для современных дизельных моторов: 1 - окислительный нейтрализатор; 2 - лямбда-зонд; 3 - блок управления; 4 - датчики температуры; 5 - датчик изменения давления; 6 - датчик сажи; 7 - фильтр твердых частиц; 8 - лямбда-зонд или NOх-датчик; 9 - нейтрализатор оксидов азота.

Рабочие процессы в камере сгорания при непосредственном впрыске: а и б - уже реализованы на серийных моторах; в - перспективная разработка с иным расположением форсунки и свечи.

Перспективный двигатель БМВ с непосредственным впрыском, стартер-генератором и электромеханическим приводом клапанов.

Система "Вариокэм Плюс" (Variocam Plus) моторов "Порше". Смещением распредвала регулируют фазы газораспределения и высоту подъема клапанов.