Автомобили на Куличках - ДВС. Совсем другие гибриды

Пока одни специалисты предрекают повальный переход на электротягу, другие продолжают усовершенствовать старые добрые бензиновые моторы. И добиваются неплохих результатов ...

В течение одного года появилось сразу два новых экспериментальных двигателя, способных перевернуть наше представление о ДВС. В то время как показатели экономии топлива и роста КПД на уровне 3–5% считаются автомобильными инженерами очень приличными результатами, авторы новых проектов обещают 25–30%. Причем о таких невероятных возможностях совершенствования существующих сегодня (и серийно выпускаемых) двигателей говорят не дилетанты со «среднегаражным» образованием, а вполне ученые мужи из пользующихся уважением компаний.

Об инжиниринговой британской компании Ricardo мы неоднократно говорили в связи с автомобилями, участвующими и побеждающими в «24 часах Ле-Мана». Ricardo plc. — ведущий независимый технологический провайдер и стратегический консультант по вопросам мировой транспортной промышленности. Иными словами, по заказу фирм, производящих всевозможные транспортные средства, включая автомобили, Ricardo разрабатывает узлы, агрегаты и системы, отрабатывает технологии и создает необходимое программное обеспечение. Кроме того, компания занимается самостоятельными исследованиям и разработками, в случае необходимости привлекая другие фирмы (разработчиков и производителей), научно-исследовательские организации и университеты. В сотрудничестве с Denso и рядом других партнеров создан и новый «чудо-мотор».

Двухтактный двигатель эффективнее четырехтактного, но не свободен от ряда «врожденных пороков», прежде всего экологических. Инженерам Ricardo и их партнерам удалось на базе серийного создать концептуальный двигатель, способный плавно переходить из четырехтактного режима работы в двухтактный. Решить сложную техническую задачу помогли достижения автомобильной отрасли, ставшие привычными за последний десяток лет: наддув (турбинный и механический), впрыск топлива, электронное управление рабочим процессом.

Двигатель, названный 2/4 SIGHT, запускается как четырехтактный. Затем, после выхода нагнетателей и прочих «энергопотребителей» на устойчивую работу, переводится на более эффективный двухтактный. Причем переход не приводит к прерыванию крутящего момента и может производиться как на установившихся, так и в переходных режимах.

В качестве основы для прототипа был использован один ряд серийного двигателя V6 рабочим объемом 2,1 л. Ожидается, что такой двигатель 2/4 SIGHT при шести цилиндрах по мощности, крутящему моменту и прочим характеристикам будет соответствовать бензиновому мотору V8 рабочим объемом 3–4 литра.

Двигатель HCCI

Для отработки фаз газораспределения на испытательном стенде была использована система электрогидравлического привода клапанов (EHV). Система подачи воздуха — двухступенчатая с промежуточным охлаждением (супернагнетатель Rotrex + турбонагнетатель Honeywell). В первых опытах для упрощения эксперимента воздух подавался из централизованной магистрали. Электронная система управления двигателем — специальная система Denso для быстрого подбора параметров — работала с системами впрыска и зажигания того же производителя. Двигатель был собран в техническом центре Ricardo в Шорхеме и установлен для испытаний в лаборатории имени сэра Гарри Риккардо Брайтонского университета.

В ходе тестов были разработаны и усовершенствованы принципы работы систем двигателя, обеспечивающие его устойчивую работу в двух- и четырехтактном режимах. Система управления, разработанная Denso совместно с Ricardo, и гибкое управление клапанами позволили оптимизировать стратегию управления двигателем 2/4 SIGHT, включая режимы переключения. Результаты испытаний обнадежили: удельный крутящий момент в двухтактном режиме оказался экстремально высоким — 150 Нм при 2500 мин-1. А это открывает путь к радикальному уменьшению габаритов и рабочего объема будущих моторов.

По завершении программы испытаний было проведено компьютерное моделирование рабочего дорожного цикла и разгона при стабильном расходе топлива и полной мощности. Опыт проводился с использованием пакета программного обеспечения MSC «Easy5», позволяющего выполнить детальное моделирование двигателей, коробок передач, приводов, шин и аэродинамических устройств.

Опытный «бензо-дизельный» двигатель уже встал на колеса

Базовым для сравнения был выбран серийный легковой автомобиль массой 1800 кг, продаваемый на европейском рынке с 3,5-литровым бензиновым двигателем V6 без наддува и обычной автоматической коробкой передач к конвертерам крутящего момента. Для уточнения базовых характеристик и проверки методики результаты расчета базового расхода топлива сравнили с опубликованными данными. Разница между показателями модели и реального автомобиля не превысила 1%, что для таких вычислений вполне допустимо. Результаты моделирования показали, что вместо серийной силовой установки рабочим объемом 3,5 литра для достижения таких же разгонных характеристик, включая старт с места, достаточно двигателя V6 2/4 SIGHT рабочим объемом 2,0 литра. Это означает, что экономия топлива по новому европейскому дорожному циклу (NEDC — New European Drive Cycle) составит 27%, а выбросы двуокиси углерода (СО2) снизятся с 260 до 190 г на 1 км пробега.

Параллельно с испытаниями в Великобритании инженеры Ricardo в Детройтском технологическом кампусе компании разработали и запатентовали механическую систему переключения, действующую по алгоритмам, отработанным с использованием EHV. Эта разработка не только позволяет использовать принципы работы 2/4 SIGHT на серийных двигателях при минимальной доработке последних, но и существенно удешевляет конструкцию, делая стоимость двигателя 2/4 SIGHT меньшей, чем у других сложных современных бензиновых и дизельных силовых установок. Причем все стандарты на выбросы будут соблюдены «с запасом».

Рабочий процесс двигателей

Традиционный цикл двигателя Отто не понравился и конструкторам General Motors — компании, не нуждающейся в представлении. Но они посчитали «идеалом» дизель и разработали процесс HCCI (Homogenous Charge Compression Ignition — зажигание гомогенного заряда (рабочей смеси) сжатием). Заставить исправный бензиновый двигатель работать в дизельном режиме невозможно. При степени сжатия 11–15 образующегося тепла недостаточно для воспламенения смеси. Опытные автомобилисты знают, что мотор «дизелит» лишь тогда, когда в камере сгорания наличествуют какие-то перегретые объекты: большое количество нагара, электродиоды неправильно подобранной свечи и т.п. Калильное зажигание не имеет ничего общего с дизельным процессом, как и зажигание электрическое, оставаясь принудительным. О самовоспламенении в этом случае речи не идет. При нормальной для дизеля степени сжатия 22 и более бензин в цилиндре не сгорает, а взрывается. Процесс становится слишком «жестким» даже по дизельным меркам. Процесс HCCI предполагает, что до рабочей температуры двигатель разогревается как бензиновый, а необходимую для дизельного цикла теплоту получает, оставляя в цилиндре значительную часть отработавших газов. Для этого выпускной клапан закрывается значительно раньше обычного.

Для получения «гомогенной», то есть хорошо и равномерно перемешанной обедненной топливно-воздушной смеси форсунка (инжектор) располагается по центру камеры сгорания. Управление самовоспламенением осуществляется с учетом сигналов от датчиков давления, расположенных в каждом цилиндре. Процесс HCCI требует быстрой перенастройки фаз газораспределения и двух уровней высоты открытия клапанов.

Самое важное: процесс HCCI может быть осуществлен на серийном двигателе, подвергнутом относительно небольшим переделкам. Изменяется головка блока цилиндров, газораспределительный механизм и программа управления. Осуществление бензинового дизельного воспламенения сулит экономию топлива в пределах 15% при значительном снижении выбросов.

Опытный образец уже изготовлен. Четырехцилиндровый двигатель рабочим объемом 2,2 л установлен на Opel Vectra. Для холодного пуска и резких разгонов используется процесс Отто, при равномерном движении воздушно-топливная смесь самовоспламеняется в управляемом режиме. В обоих случаях используется трехступенчатый каталитический нейтрализатор. В отличие от дизельного двигателя, нейтрализации NOx (из-за низкого содержания окислов азота) не требуется. КПД двигателя HCCI приближается к показателям дизеля. Основная проблема, с которой столкнулись испытатели, — нестабильность внешних условий. Различные погодные условия (температура, атмосферное давление, влажность воздуха) и нестабильное (даже в пределах заводских допусков) качество бензина «сбивают» регулировки, затрудняя получение гомогенной смеси. Обычный бензиновый двигатель менее капризен. Но и HCCI по мере накопления опыта может стать «всеядным»: в конце концов, все дело в полноценном программном обеспечении. А разницу в работе двигателей разных типов сможет почувствовать каждый. На автозаправке.

Рабочие циклы двигателя 2/4 SIGHT

Ведущий независимый технологический провайдер и стратегический консультант по вопросам мировой транспортной индустрии. Компания имеет технические центры и офисы в Великобритании, США, Германии, Чехии, Китае, Японии и Корее. Инженерный опыт компании простирается от интеграции систем транспортного средства, систем управления, разработки электроники и программного обеспечения до новейших систем приводов и трансмиссий; бензиновых, дизельных, гибридных и водородных силовых установок. Среди ее клиентов крупнейшие мировые производители транспортных средств, двигателей и трансмиссий и ведущие гоночные команды. Более 70% работников — инженеры и техники высокой квалификации, владеющие несколькими областями знаний. Доход компании в 2007 финансовом году составил 171,5 млн фунтов.

Владимир Заборщиков 5koleso