Майбутнє ДВС: гібриди або удосконалення двигунів?

161

Обмеження щодо шкідливих викидів тиснуть на автовиробників. Деякі вирішують проблему “екологічного” відповідності з допомогою гібридних модифікацій. Розглянемо способи підвищення ефективності традиційних двигунів

Гібриди – майбутнє двигунобудування

Автомобільна Європа відстає від японських конкурентів в частині впровадження нових технологій, і ситуація з гібридними силовими агрегатами – тому підтвердження. У світлі постійного посилення екологічних вимог ця проблема набуває економічний відтінок, який в найближчому майбутньому обіцяє стати домінуючим.


Завдання гібридів — це не поліпшення екологічних характеристик автомобілів (це лише «побічний» ефект), а збереження конвеєрного виробництва ДВС з кривошипно-шатунним механізмом. Причому постійні зміни норм викидів можна розцінювати як каталізатор цього процесу.

Двигуни із змінним ступенем стиснення

Якщо автомобільна Європа намагається вдосконалити свої гібридні двигуни, то японські виробники пішли іншим шляхом, а саме поліпшили ефективність традиційного двигуна. Вони це зробили за рахунок підвищення ступеня стиснення до 14:1, що раніше не вдавалося жодному з виробників і було просто неможливо. Вони заявляють, що з даної ступенем стиснення можуть працювати, як бензиновий, так і дизельний двигуни, причому на звичайному 95-му бензині. Як це можливо?

Один з важливих недоліків бензинових двигунів з іскровим запалюванням — відносно невисока ступінь стиснення. Якщо її підняти з нинішніх 10:1 до 12,5:1, то ефективність використання теплоти згорілого палива зросте відсотків на шість. Але чим сильніше ми стискаємо поршнем повітря з парами бензину, тим вище ризик вибухового неконтрольованого самозаймання суміші — це детонація, страшний ворог двигуна: ударні навантаження, перегрівання, руйнування поршнів і кілець. Не дарма ступінь стиснення бензинових агрегатів рідко піднімається вище 11:1.

Насправді все справа в зниженні середньої температури циклу. Чим холодніше» горюча суміш в камері згоряння, тим сильніше її можна стиснути без ризику виникнення детонації. Думаєте, японці вирішили охолоджувати всмоктуване повітря? Ні, вони зайнялися системою випуску.

Цей прийом давно відомий по гоночних моторів — «налаштовані» випускні канали за схемою 4-2-1, в яких порції вихлопних газів з усіх чотирьох циліндрів не «товчуться» один з одним, а строго по черзі вилітають в атмосферу. При чому тут температура циклу? «Налаштований» випуск за рахунок газодинамічного наддуву покращує продування циліндрів — у них залишається менше гарячих відпрацьованих газів, які неминуче підмішуються до свіжого повітря на такті впускання і піднімають температуру в кінці такту стиснення.

Як запевняють, якщо частку вихлопу знизити з звичайних 8% до 4%, то ступінь стиснення можна безболісно підняти на три одиниці. А за рахунок охолодження повітря при распыле бензину прямо в циліндр — стиснення можна збільшити ще на одиничку.
Щоб реалізувати просунутий газообмін, довелося розщедритися на фазообертачі на обох розподілвалами і впускному і випускному. А до того ж з допомогою комп’ютерного моделювання придумати ще купу всяких хитрощів. Наприклад, щоб поліпшити «термоізоляцію» камери згоряння, діаметр циліндра довелося зменшити з нинішніх 87,5 мм до 83,5 мм, відповідно збільшивши хід поршня.

Длинноходность сприяє збільшенню крутного моменту на низьких оборотах, до того ж тягу на низах» покращують безпосередній впорскування і збільшення ступеня стиснення — і виникає ефект, який іменують downspeeding: на противагу «даунсайзингу». Мовляв, мотор настільки добре тягне «внизу», що середньостатистичні обороти при їзді знижуються на 15% — і це дає ефект в частині зниження витрати бензину і викидів СО2 порівняно з турбомотором з зменшеним до 1,4 л робочим об’ємом.

Дизелі із змінним ступенем стиснення

В двигуні, побудованому Рудольфом Дизелем 120 років тому, впорскування палива з самого початку був безпосереднім — паливо, розпорошену в стислому повітрі, самозаймається від нагрівання. Для цього ступінь стиснення повинна бути в півтора-два рази вище, ніж у бензинових двигунів з іскровим запалюванням.

У атмосферних дизелів вона перевищує 20:1, у двигунів з турбонаддувом лежить в межах 16-18:1. Однак інженери вирішили домогтися безпрецедентно низьких для легкового дизелебудування 14:1.

Навіщо? Як запевняють японці, у звичайних турбодизелях тиск і температура в циліндрах в кінці такту стиснення настільки великі, що впорскується струмінь дизпалива просто не встигає рівномірно перемішатися з повітрям. З-за неповного згоряння зростає вміст у вихлопі отруйних оксидів азоту і частинок сажі, які треба допалювати і фільтрувати.