КАК ВСЁ НАЧИНАЛОСЬ
В этом году двигатель внутреннего сгорания будет праздновать свой 147-й день рождения, так как в далеком 1860 году, когда по всему миру «царствовали» конные экипажи, гражданин Франции механик Э. Ленуар сконструировал первый рабочий газовый двигатель. Этот мотор был достаточно капризен и несовершенен, что, в принципе, не странно. Через долгих 6 лет достаточно хорошо известный изобретатель Н. Отто предложил миру свою, довольно совершенную по тем временам конструкцию 4-тактного газового двигателя. Прообразом же двигателя внутреннего сгорания послужила в первую очередь паровая машина, так как единственное принципиальное отличие — отсутствие достаточно громоздкой паро-котельной установки. С «потерей» парового агрегата в процессе эволюции ДВС приобрел свои плюсы: значительно больший КПД, меньшую массу и размеры. Были также и минусы — двигатель требовал более качественного и технологичного топлива, так как работать на дровах он уже отказывался.
В последних версиях конвертеров с блокадой потери энергии минимальны. Благодаря широкому выбору доступных передач, вы можете почти всегда путешествовать в оптимальном диапазоне оборотов двигателя независимо от скорости. В дополнение к снижению расхода топлива и необычайно низкой эмиссии вредных веществ, а также беспрецедентный комфорт вождения. Любой, кто управлял современным автомобилем даже с небольшим двигателем, быстро оценит возможности и преимущества езды на низкой скорости. Комфорт, связанный с использованием технологии демпфирования вибрации, также не имеет себе равных.
В нашей же стране ДВС был «изобретен» только в 80-х годах XIX века, именно в это время наш соотечественник О. С. Костович работал над конструкцией бензинового карбюраторного двигателя. Дальнейшее же развитие ДВС связано в первую очередь с именем немецкого инженера Рудольфа Дизеля, так как в 1897 году именно он предложил использовать сжатие для воспламенения топлива. Это было рождением двигателей, работающих на тяжелом топливе, — дизельных двигателей.
Независимо от типа источника питания удовольствие от вождения автомобиля, оснащенного современным приводом, несравненно более приятным, чем несколько или десяток лет назад. Изменение является естественным элементом прогресса. Это, однако, так недавно ускорилось настолько, что автомобили с двигателем внутреннего сгорания могут выйти из рынка в ближайшее время. И такой поворот событий в девяностые годы, конечно, никого не ожидал.
Конец мотоциклов, работающих на бензине и дизельном топливе, является реальным сценарием, который начинает подтверждаться в других странах. Скандинавы хотят законно освободить место на рынке только электрически. Германия выражает такое же отношение. Однако в их случае граница была отложена на 5 лет.
Дальнейшее развитие поршневых двигателей внутреннего сгорания шло семимильными шагами. В конструкции моторов менялось многое, но неизменна оставалась лишь его суть. К чему привела эта эволюция ДВС, попробуем разобраться в нашем материале.
НАШИ ДНИ
Время, прошедшее со времени сотворения первого ДВС, безусловно, повлияло и на концепцию создания современного поршневого автомобильного двигателя. Девиз двигателя наших дней — больше мощность, меньше расход. Казалось бы, эти два понятия противостоят друг другу, но, оказывается, это не так. И для того, чтобы это подтвердить, двигателисты различных автомобильных компаний не спят ночами, придумывая различные системы, позволяющие поднять КПД двигателя до предела.
Конечно, увеличение доли электронных технологий на автомобильном рынке будет не только законодательным принуждением. Все чаще он также становится потребностью потребителя в результате изменения подхода нового поколения. Про-экологические тенденции также видны в Польше. Прежде всего, доля рынка гибридных автомобилей в течение нескольких лет сильно возрастает. Электрические конструкции также работают очень хорошо. Министр энергетики и развития - Матеуш Моравецкий продолжит стимулировать поиски технологических новшеств.
Во время конференции «На пути к электромобилям» он подчеркнул, что через 10 лет на польских дорогах он хотел бы проехать миллион электромобилей. Новая тенденция развития на автомобильном рынке приобретает глобальный характер и во многом продиктована действительно динамичным расширением сегмента автомобилей, работающих на альтернативном топливе. Сегодня электромобили могут путешествовать до 400 километров за один заряд, а первые модели с водородными ячейками доступны для продажи в Европе и во всем мире.
Для того чтобы понять, в каком направлении в дальнейшем будет развиваться двигателестроение, необходимо уяснить, какие препятствия стоят на пути. А препятствия следующие: механические потери, неполное использование энергии сгорания топлива, вопросы, связанные с экономичностью, высокая себестоимость современных двигателей и систем управления, увеличение массы мотора, улучшение характеристик двигателя.
Совмещение двигателя внутреннего сгорания с электрическим не является единственной идеей развития. Это решение идеально подходит сегодня и по нескольким причинам. Питание двигателя газом - это известный способ экономии и одновременное снижение токсичности выхлопных газов. Чешцы предлагали возможность модернизации автомобиля в течение многих лет с установкой. В настоящее время они предлагают как минимум несколько моторных версий различных моделей.
Экология на автомобильном рынке может иметь много лиц. Если понижение выбросов вредных соединений неизбежно для автомобилей, важно построить максимально широкий диапазон. Затем водителям будет предоставлен выбор, который позволит им выбрать конкретное решение для своих потребностей и возможностей.
Начнем по порядку. Механические потери в современных двигателях можно снизить несколькими способами.
Во-первых, значительно ужесточить допуски на изготовление деталей двигателей.
Во-вторых, необходимо уменьшить инерционность кривошипно-шатунной системы, то есть необходимо максимальное облегчение поршней, шатунов, коленчатого и распределительного вала, а также маховика. Недаром в современных моторах используются поршни с короткой «юбкой», изготовленные на основе алюминиевых сплавов. Причем для их производства используются две технологии. По первой технологии изготавливаются поршни для невысоко форсированных двигателей — их производят различными методами литья. По второй технологии изготавливаются поршни для форсированных двигателей — методом объемной штамповки (или, проще говоря, ковкой). Распределительные валы изготавливаются пустотелыми по следующей технологии: на охлажденную в жидком азоте трубчатую заготовку вала насаживаются отдельно изготовленные кулачки. Маховик делают максимально легким, чтобы не утруждать двигатель вращением лишней массы, да и отклик на нажатие педали газа при этом сократится.
Новая технология обеспечивает экономию на уровне дизельного топлива, а также экологию, известную из бензиновых двигателей. Затем, когда двигатель уже прогревается, топливная смесь воспламеняется под высоким давлением. Специальный инжектор доставляет однородную смесь тумана в камеру сгорания. Распределение топлива равномерно по всей камере, и после увеличения давления поршнем температура повышается - происходит воспламенение. Степень сжатия аналогична показанной из дизельных двигателей. Свечи могут помочь при работе на высокой скорости.
В-третьих, необходимо упомянуть современные моторные масла с низкой вязкостью, которые тоже делают небольшой вклад в копилку увеличения КПД, так как снижаются потери на трение, как при перекачке по масляным каналам, так и внутри самого масла.
В-четвертых, расширить применение различных антифрикционных покрытий, способных значительно уменьшить силу трения, а также использование деталей, изготовленных на основе соединений нитрида и карбида кремния, то есть керамики.
Следующий оглашенный нами вопрос был посвящен экономичности современных двигателей. Здесь используются различные концепции минимализации расхода топлива, просто одни пытаются «выжать» все из бензиновых двигателей, вторые делают ставку на дизельные моторы, ну а третьи строят гибридные силовые установки. Кто окажется прав, увидим в ближайшем будущем.
Но дело в том, что вне зависимости от того, кто какой концепции придерживается, все используют практически одинаковые технологические наработки. Сегодня, например, невозможно увидеть современный двигатель с двумя клапанами на цилиндр. «Почему?» — спросите вы. Да потому, что применение многоклапанного (от 3 до 5 клапанов на цилиндр) газораспределения позволяет снизить насосные потери и увеличить мощность и экономичность двигателя. За примером далеко ходить не надо: попробуйте закрыть одну ноздрю и пробежать метров 300, а потом повторить эксперимент без наложенных ранее ограничений. Почувствовали разницу? То же самое происходит и с двигателем. Кстати говоря, стоит вспомнить наш автопром, а именно 4‑цилиндровые 8‑ и 16‑клапанные двигатели АвтоВАЗа: при одинаковом объеме 1,5 литра один из них выдавал 78 л. с., а другой — 92.
Кроме многоклапанного газораспределения применяются фазовращатели на газораспределительных валах, с помощью них осуществляется постоянная регулировка фаз впуска и выпуска. Особенно в этой области преуспели немецкие и японские инженеры. Например, система VANOS от BMW, которая впервые появилась на моторе серии М50 в 1992 году и позволяла регулировать фазы открытия и закрытия только впускных клапанов. Через некоторое время появилась система BI-VANOS, которая заведовала уже как впускными, так и выпускными клапанами. Работа этих систем сводится к следующему. На малых оборотах двигателя фазовращатели смещают момент открытия впускного клапана в более поздний период, что обеспечивает топливную экономичность и повышает крутящий момент. При средних оборотах двигателя клапаны открываются чуть раньше, это позволяет увеличить крутящий момент и значительно снизить выбросы вредных веществ в атмосферу. На высоких же оборотах двигателя впускные клапаны открываются с небольшим опозданием, благодаря чему значительно увеличивается мощность в зоне максимальных оборотов, так как в цилиндре создается большее разряжение, а значит, и воздуха в цилиндры попадает значительно больше. Интересно и то, что совсем недавно, впервые в мире, на автомобилях LEXUS появились фазовращатели с электроприводом, которые позволяют регулировать фазы газораспределения практически с нулевых оборотов двигателя, что в принципе невозможно для фазовращателей с гидроприводом.
СМЕЩАЕМ ФАЗЫ
Необходимо отдельно упомянуть системы регулирования величины подъема клапанов (Honda i-VTEC, BMW Valvotronic, Porsche VarioCam Plus), благодаря которым значительно улучшаются как характеристики двигателя, так и топливная экономичность. Для примера рассмотрим знаменитую систему Valvetronic от компании BMW. Разрабатывая эту системы, инженеры решили кардинально отказаться от дроссельной заслонки, хотя в процессе доводки ее все-таки оставили, она стала служить для диагностики системы Valvetronic и находится постоянно в открытом положении. Стоит напомнить, что при управлении процессом подачи воздушной смеси с помощью дросселя возникают значительные аэродинамические сопротивления и завихрения, особенно при неполном открытии заслонки. Регулирование количества воздушной смеси в системе Valvetronic должно было происходить за счет изменения величины подъема клапанов, то есть сам клапан при этом выполнял функцию дроссельной заслонки. Для этого был разработан специальный механизм, позволявший регулировать подъем клапана в пределах от 0 до 10 мм. Идея системы состоит в следующем. Распредвал заведует открытием клапана не на прямую, а через специальный рычаг, который может менять свое положение в пространстве, тем самым изменяя величину перемещения коромысла, которое непосредственно воздействует на клапан. Регулировка рычага осуществляется с помощью червячной передачи и электромотора, а всем этим процессом заведует компьютер. Применение этой системы привело к тому, что на малых оборотах снизилось потребление топлива, а на больших возросла мощность, так как значительно увеличилась скорость заполнения цилиндров топливно-воздушной смесью. При этом значительно уменьшилось время отклика на педаль акселератора. Но у двигателей, оснащенных этой системой, появился небольшой недостаток — отсутствие разряжения во впускном коллекторе, которое необходимо для работы вакуумного усилителя тормозов. Проблема была решена следующим образом: немецкие инженеры взяли и поставили отдельный насос, который создавал необходимое разряжение.
ДОЛОЙ ПОЛОВИНУ ЦИЛИНДРОВ!
Кроме таких высокотехнологичных мер, как электропривод помпы, отключаемый генератор, электроусилитель руля, применяемых для увеличения экономичности двигателей, используются также и другие, более радикальные способы. Например, отключение части цилиндров на холостом ходу или в режимах частичных нагрузок у многоцилиндровых двигателей. Причем до недавнего времени этими системами пользовались в основном американские конструкторы, взять хотя бы систему отключения цилиндров Displacement-on-Demand («рабочий объем по требованию») от компании General Motor. Замысел системы достаточно прост: по достижении двигателем рабочей температуры электроника начинает опрашивать различные датчики, и если она обнаруживает, что мотор работает в режиме частичной нагрузки, то прекращает подачу топлива в половину цилиндров, то есть в 4. Причем цилиндры отключаются по диагонали, чтобы в двигателе не возникли вибрации. Максимальный достигнутый эффект экономии топлива составил 25% от номинального, и это достаточно неплохой результат. Похожую систему представила и компания Honda, показав общественности новый 3,4‑литровый 6‑цилиндровый двигатель, в котором при спокойном перемещении в пространстве будут отключены 3 цилиндра.
Повысить экономичность и КПД двигателя можно также с помощью более совершенной системы зажигания. Достаточно вспомнить знаменитые моторы с системой Twin Spark от Alfa-Romeo, где использованы две свечи на цилиндр. Эта система, как, в принципе, и многое другое, перекочевала в автомобильное двигателестроение с авиационных двигателей еще в 20‑е годы прошлого столетия. Вторая свеча зажигания позволила обеспечить более полное сгорание топлива, отчего увеличился КПД, да плюс ко всему прочему снизилось потребление топлива и увеличилась детонационная стойкость. Недаром в 12‑цилиндровом турбированном двигателе от Mersedes, где вопрос детонации стоит наиболее остро, применена система зажигания с двумя свечами на цилиндр.
Невозможно не упомянуть в нашем разговоре о современных веяниях двигателестроения: непосредственном впрыске топлива в цилиндры. Идея подавать топливо непосредственно в цилиндры достаточно не нова, впервые ее воплотили в жизнь инженеры компании Robert Bosch еще в 30‑х годах XX века при конструировании авиационных двигателей, причем управление системой было механическим. Долгое время система непосредственного впрыска топлива не находила должного применения, хотя периодически появлялись автомобили, оснащенные ею. Вспомнить хотя бы легендарный Mercedes-Benz 300SL 1954 года, ведь он был оснащен механическим впрыском от фирмы Bosch. Свое второе рождение система непосредственного впрыска пережила в начале 90‑х годов прошлого века, когда стали появляться достаточно надежные и современные электронные системы управления.
Большой шаг в развитие и внедрение этих систем сделала компания Mitsubishi со своими двигателями GDI. Уникальность этого двигателя была в том, что он мог работать на сверхобедненной топливовоздушной смеси, в которой соотношение бензина к воздуху по массе достигало 40:1, это при том, что идеальное соотношение 14,7:1. То есть настолько обедненная смесь вообще не должна была гореть, но благодаря специальной форме поршня и узконаправленного факела распыла смесь с идеальным стехиометрическим составом попадала прямо на свечу зажигания, хотя по всему объему цилиндра была очень бедной. В данном двигателе было организовано три режима работы системы.
Первый — впрыск топлива происходил на тактах впуска и сжатия, этот режим был необходим для увеличения крутящего момента на малых оборотах двигателя.
Второй — впрыск в момент впуска, этот режим применялся для достижения двигателем максимальной мощности.
Третий режим — режим впрыска обедненной смеси на такте сжатия применялся для увеличения топливной экономичности на режимах малой нагрузки и холостого хода.
Отдельно стоит сказать о том, что впрыск бензина непосредственно в камеру сгорания позволяет повысить детонационную стойкость двигателя, так как при испарении бензин забирает часть тепла у нагретого в цилиндре воздуха. Этот фактор позволяет повысить степень сжатия и, соответственно, еще больше уменьшить расход топлива. При всех своих преимуществах, а именно увеличении мощности, топливной экономичности и уменьшении выбросов вредных веществ, двигатель получился достаточно дорогим, так как в нем применялись высокотехнологичные компоненты. Например, топливный насос высокого давления, развивавший 50 бар (в последних разработках давление достигает 200 бар), а педаль газа не имела прямой связи с дроссельной заслонкой. Была также применена оригинальная головка блока цилиндра, в которой впускные каналы сделаны прямыми по вертикали. С того времени как стал выпускаться этот двигатель, прошло уже более 10 лет, и сейчас практически все производители примерили непосредственный впрыск для своих двигателей.
Сегодня специалисты в области двигателестроения заняты не только вопросами улучшения топливной экономичности и КПД поршневого двигателя, их особенно волнует вопрос резкого «утолщения» мотора, нашпигованного различными электронно-механическими системами. В эпоху карбюраторного двигателя было все намного проще, блок цилиндров изготавливался из достаточно тяжелого, но прочного специального серого чугуна. Кстати говоря, применение этого вида материала не случайно, ведь колебания, возникшие в сером чугуне, гасятся примерно в 10 раз быстрее, чем в стали. Головка отливалась из сплава на основе алюминия, и все было хорошо. Сейчас же борьба идет за каждый грамм лишнего веса. Вспомнить хотя бы биметаллический блок цилиндров 3‑литрового 6‑цилиндрового двигателя от BMW. Внутренняя, более нагруженная часть блока цилиндров до рубашки охлаждения выполнена из алюминиевого сплава с большим содержанием кремния. А наружная часть, менее нагруженная, сделана из магниевого. Технология получения такого блока цилиндров очень сложна, а экономия массы составляет примерно 10 кг по сравнению с цельноалюминиевым блоком. Конечно, можно подумать, что это только маркетинговый шаг, направленный на повышение реноме марки, но это не совсем так. Потому что, если нам удастся «сбросить» с одной детали несколько килограммов или даже граммов, то в совокупности мы получим огромный выигрыш по массе. Надо сказать, что во время внедрения алюминия в двигателестроение инженеры столкнулись с проблемой малой износостойкости крылатого металла. Поэтому впоследствии были разработаны специальные покрытия, предохраняющие зеркало цилиндра от износа. Одним из таких покрытий был широко известный «Никасил» — соединение жаростойкого никеля с износостойким карбидом кремния, он пришел в массовое автомобилестроение из мира королевских гонок. Кроме снижения массы автомобильные компании пытаются снизить расходы, связанные с разработкой и производством двигателей. Поэтому сегодня достаточно часто можно наблюдать сотрудничество крупных автомобильных компаний при конструировании моторов.
НЕДАЛЕКОЕ БУДУЩЕЕ
То, что произойдет в мире двигателестроения в ближайшие 10 лет, предсказать достаточно сложно, но определить генеральные линии развития все-таки можно. Самое главное направление удара — это гибридизация, причем пока акцент, надо сказать, ставится на бензино-электрический тандем, хотя дизельно-электрическое сотрудничество, на наш взгляд, более оправданно, особенно если главной целью является экономия топлива, а не маркетинговые хитрости. «Игры» с водородом, скорее всего, прекратятся, так как выгода от автомобилей, оснащенных двигателями на сверхлегком топливе, достаточно туманна. Необходимо сначала получить водород, а из водорода уже с помощью дорогущих топливных элементов — электричество.
Скорее всего, достаточно скоро будет представлен двигатель, оснащенный гидравлическим или электромагнитным приводом клапанов. Это новшество позволит отказаться сразу от двух систем: регулировки фаз газораспределения и величины подъема клапанов. Да и КПД от этого нововведения тоже подрастет, так как не нужно будет приводить во вращательное движение массивные элементы системы газораспределения. Хотелось бы наконец увидеть и серийный двигатель, оснащенный системой регулировки степени сжатия, теоретически он должен стать очень экономичным.
Дальнейшее развитие получат и маленькие «злые» моторчики, оснащенные турбонаддувом, так как соотношение лошадиных сил и крутящего момента к единице массы у них достаточно велико. К выхлопной трубе, кстати говоря, может переехать и генератор, так как энергия выхлопных газов имеет большую величину, а практически не используется. Говоря о двигателях, не стоит забывать дизельные моторы, они, скорее всего, и получат численное превосходство в будущем, потому что уже сегодня в Европе продается больше дизельных автомобилей, чем бензиновых, но о них мы поговорим попозже.
Хотите купить или продать? Воспользуйтесь нашим интернет АУКЦИОНОМ !
Автоаксессуары и дополнительное оборудование, парковочные раддары и видеорегистраторы из первых рук!
Если говорить о тенденциях современного мирового моторостроения, то двигатель внутреннего сгорания остается на лидирующих позициях, хотя справедливости ради надо отметить, что некие попытки «покуситься» на «святая святых» все же существуют – например, уже продается серийный электромобиль Tesla. Но поскольку нефтепромышленность сегодня является ключевой отраслью мировой экономики, доминирование двигателей внутреннего сгорания еще на многие десятилетия может остаться незыблемым.
Немного истории. Грустной...
Современные двигатели конструктивно практически мало изменились со времен «отцов-осно-вателей»: Николауса Августа Отто и Рудольфа Кристиана Карла Дизеля. Сегодня в ходу те же коленчатый вал, шатуны, поршни, цилиндры, клапаны, распределительный механизм.
Поэтому все новшества в двигателестроении опираются на новые материалы и технологии, в том числе связанные с электронным управлением.
Например, если еще 20 лет назад блок цилиндров почти повсеместно был сделан из чугуна, то сегодня чугунный блок встречается редко, плавно перейдя в разряд анахронизмов. В настоящее время блоки делают из алюминия, который и легче, и технологичнее. Сначала были проблемы с прочностью и жесткостью, но их постепенно решили.
Правда, полностью алюминиевые моторы действительно приживаются трудно – очень они чувствительны к смазке, охлаждению, зазорам. А вот алюминиевый блок с чугунными гильзами гораздо менее требователен в эксплуатации. Так что старый добрый чугун, который использовали Отто и Дизель, еще послужит...
Вообще надо отметить, что создание нового двигателя даже традиционной схемы – это процесс очень долгий. Вот и получается, что модельный ряд автомобилей меняется в среднем через четыре-пять лет, а мотор в нем нередко стоит от предыдущих моделей, а то и еще более ранних. И часто даже в новых двигателях используются узлы от старых – например, блок цилиндров. Так что двигатели «живут» долго – бензиновые в среднем 10-15 лет, а дизели легко «доживают» до 20 и даже 30 лет.
И еще. С сожалением приходится признать, что в России практически не было своих разработок двигателей – все бралось «оттуда», из-за границы. Причем часто даже то, что там отвергалось. Результат очевиден – сегодня передового двигателестроения у нас в стране просто не существует. Как и конструкторов для его возрождения.
Успехи, неудачи и тенденции
В современном моторостроении существуют две основные тенденции: первая – сократить вредные выбросы, и вторая – снизить расход топлива. Это взаимосвязанные задачи: сокращая расход, мы автоматически снижаем выбросы.
Но если 10-15 лет назад «вредными выбросами» считались традиционные оксид углерода – СО, оксиды азота – NOx и углеводороды – СН, то сегодня в разряд основных перешел и углекислый газ СО2, создающий «парниковый эффект». И если учесть, что любое углеводородное топливо в конечном счете распадается на воду и углекислый газ – то уменьшить выбросы СО2 можно единственным путем: снижением расхода топлива.
Здесь надо принять во внимание и такой нюанс: КПД у двигателя внутреннего сгорания в целом лишь около 25-30%. Выходит, что только четверть бензина в ДВС тратится на движение – остальные три четверти просто вылетают в трубу. И греют окружающую среду. Поэтому инженеры-моторостроители борются за каждый «лишний» процент с помощью довольно сложных технических решений.
Верный способ – повысить удельные параметры двигателя: проще говоря, получить «одну лошадиную силу» с меньшего количества топлива. Например, одним из основных путей роста эффективности бензинового двигателя является повышение степени сжатия. При росте степени сжатия эффективность сгорания топлива в цилиндре повышается, а значит, возрастает коэффициент полезного действия (КПД) цикла – и двигателя в целом.
В частности, повышение основных параметров двигателей, в том числе путем увеличения степени сжатия, дают системы непосредственного впрыска бензина в цилиндр – впрыск сдвигает режимы детонации, убирает неравномерность подачи топлива и увеличивает наполнение цилиндров.
На самом деле эта идея достаточно старая: непосредственный впрыск широко применялся на авиационных двигателях 40-х годов прошлого века. Инженерам требовалось добиться небывалой по тем временам удельной мощности 70 л.с. с 1 л рабочего объема двигателя при максимальных 2500-3000 об/мин. Сегодня это удельная мощность обычного автомобильного двигателя (хотя и при вдвое больших оборотах, так что авиационный уровень 70-летней давности все еще не превзойден современным автомобилестроением) – а тогда достичь их в авиации было возможно только с помощью непосредственного впрыска.
Но система подачи топлива была механической, т.е. сложной, дорогой и требовавшей постоянных регулировок, что было приемлемо в авиации, но никак не на автомобилях.
Кроме того, механическое управление непосредственным впрыском было хорошо при низких оборотах, требовавшихся для тогдашних авиационных двигателей (воздушный винт все же!). А при их росте хотя бы до автомобильных 6000 об/мин механика уже не справлялась.
Собственно, «возвращение» к старой идее в 1990-2000-х годах стало возможным благодаря развитию электроники, позволившей реализовать управление непосредственным впрыском на высоких оборотах двигателя – с внедрением электронных компонентов появилась возможность управлять процессом горения, чего не было ранее.
Карбюратор, да и традиционные системы впрыска – так называемое внешнее смесеобразование, позволяли лишь смешать 15 кг воздуха с 1 кг топлива и подать смесь в цилиндры. И все. А вот электронное управление непосредственным впрыском в цилиндр дает возможность инженеру выбирать – когда вводить топливо, сколько вводить. И даже впрыскивать топливо за один цикл двигателя несколько раз.
Еще в 70-х годах ХХ века конструкторы для экономии топлива предложили использовать принцип «послойного» впрыска, реализованный в виде так называемого «форкамерно-факель-ного зажигания». Идея заключалась в том, что в специальной камере создается богатая смесь, которая при воспламенении от свечи создает факел, поджигающий бедную смесь, подаваемую непосредственно в цилиндр. Машины с такими двигателями (с аббревиатурой СТСС – Compound Vortex Controlled Combustion) разработала и длительное время производила японская Honda, и даже горьковский автозавод некоторое время выпускал «Волги» с форкамерными моторами. Но в итоге к середине 1980-х от этой идеи пришлось отказаться. Ведь приходилось готовить сразу две топливо-воздушных смеси: бедную, которой надо было много, и богатую, которой надо было мало. И подавать их раздельно – при этом в точные временные промежутки. А сложные карбюраторы (а тогда полноценного электронного управления еще не существовало) не прибавляли ни надежности, ни оптимизма по снижению себестоимости. Но основной удар был неожиданным – выяснилось, что помимо СО и СН оксиды азота тоже не слишком полезны. А здесь у «послойников» возникли новые проблемы...
Но всего через 10 лет, примерно к середине 1990-х годов, инженеры смогли вернуться к идее на новом уровне, чтобы с помощью электроники объединить в одном двигателе все три составляющие: непосредственный впрыск, управление процессом горения и послойное смесеобразование, что позволило поднять степень сжатия и выйти на новый уровень.
Первыми создали серийные автомобили с такими моторами в компании Mitsubishi – они имеют обозначение GDI (Gasoline Direct Injection – «система прямого впрыска бензина»). За ними последовали и другие производители. В этих двигателях нет отдельной форкамеры – форсунка впрыскивает бензин в цилиндр под очень высоким давлением. А камера сгорания имеет такую «хитрую» форму, что в зоне у свечи оказывается богатая смесь, а в остальном объеме – бедная.
Казалось бы, все прекрасно: степень сжатия высокая, смесь бедная, как следствие, вредные выбросы заметно снижены, а экономичность улучшена. Но опять начались проблемы с оксидами азота. Дело в том, что традиционные трехкомпонентные нейтрализаторы убирают из выхлопа СО, NOХ и СН только у смеси обычного состава (15 кг воздуха на 1 кг топлива). А вот с возросшими при бедных смесях объемами оксидов азота они уже не справляются. Так что пришлось разрабатывать новые дополнительные катализаторы. Работают они хорошо, хотя требуют специальной жидкости в качестве «топлива». Но хорошо только в том случае, если в бензине нет серы. А если есть – то быстро «умирают». Ведь бензин с полным отсутствием серы пока еще редкость даже в богатых странах...
Поэтому автопроизводители от идеи послойного впрыска вынуждены были отказаться, а проблему уже построенной инфраструктуры по производству этих двигателей (и уже немало потраченных денег) решили путем «перепрошивки» электронного управления впрыском.
Теперь впрыск топлива осуществляется не тогда, когда поршень находится вблизи верхней «мертвой точки», а раньше. И пока поршень проходит весь путь до ВМТ, смесь успевает перемешаться до практически гомогенной.
Так что «попытка № 2» внедрения послойного смесеобразования и управления горением тоже сорвалась. Когда будет третья попытка, неясно. Но то, что она будет – вполне предсказуемо. Ведь уже создано достаточно много таких двигателей, они работают, хотя их возможности пока не реализованы полностью.
Еще одно направление повышения эффективности ДВС – системы регулирования фаз газораспределения. Они получили распространение недавно, в начале 90-х годов ХХ века, но сегодня двигатель без регулирования фаз уже смотрится каким-то анахронизмом.
Логика таких систем понятна – для эффективной работы двигателя при малых оборотах время (продолжительность) и момент открытия впускных и выпускных клапанов должны быть одни, а с повышением оборотов – другие. И сегодня существует много систем, которые регулируют не только время открытия клапанов, но и величину этого открытия. Что делает ДВС эластичным, а автомобиль с ним – экологичным, экономичным и удобным.
Если подводить промежуточный итог, то можно сказать следующее: современный бензиновый ДВС – обязательно с регулируемыми фазами, а лучшие его образцы имеют непосредственный впрыск. Для повышения мощности двигателей нередко используется наддув, который увеличивает количество воздуха, поступающего в цилиндры, и удельную мощность. Существуют две схемы наддува: газотурбинный, когда турбину для привода компрессора раскручивают выхлопные газы, и приводной, когда компрессор приводится непосредственно от двигателя. Приводные компрессоры тоже разные: объемные, винтовые, волновые и т.д. Но большого распространения такие системы так и не получили, хотя известны давно – в отличие от регулирования фаз газораспределения, непосредственного впрыска топлива и турбонаддува.
Ванкель и другие
В принципе, возможны альтернативы старой конструкции, созданной во времена Отто и Дизеля. Но создать работающий двигатель, способный на равных конкурировать с привычной схемой по всем показателям, очень сложно. Двигатели Стирлинга, Баландина и многих других оригинальных схем и решений не получили распространения и оказались на грани забвения.
И хотя новые идеи витают в воздухе, реализовать даже лучшие из них весьма проблематично. Например, роторно-лопастной мотор Вигриянова, который изначально планировалось устанавливать в «прохоровский» «ё-мобиль», пока так и не создан. И для того чтобы (возможно!) довести его до серийного производства, потребуется, по прикидкам, как минимум, 10 лет и весьма неограниченное финансирование. Причем несколько из этих 10 лет надо будет потратить на подготовку специалистов, способных его довести. А поскольку с «неограниченным финансированием», кажется, наступили проблемы, этот двигатель, скорее всего, света так и не увидит...
Роторно-поршневой двигатель Ванкеля стал, пожалуй, единственным примером внедрения в серийное производство ДВС нетрадиционной конструкции. Хотя двигателю данной схемы уже добрых полвека, и за это время многие производители, выпускавшие такие моторы, давно «сошли с дистанции» (последним стал АвтоВАЗ), он и по сей день ставится на автомобили Mazda. Причем компания так долго занимается этим двигателем и добилась таких его показателей, что уже вряд ли кто сможет сделать хотя бы такой же – по цене, надежности и эффективности. И потому он вряд ли когда-нибудь станет массовым.
Ремонт ремонту рознь
Современные двигатели гораздо более надежны, чем те, которые производились, например, 20 лет назад. В них не надо ничего регулировать, что-то менять – они работают без поломок как минимум до окончания срока гарантии.
Но есть нюанс – сегодня срок службы всего автомобиля стал значительно меньше, чем был ранее. Прошли те времена, когда машину покупали «на всю жизнь». Сегодня сложилась тенденция: люди хотят ездить на новой модели машины. И потому автомобили меняются в среднем через 3-5 лет. Соответственно автопроизводителям не имеет смысла делать машину, которая без поломок прослужит 20 лет. Вот и получается, что автопарк обновляется значительно быстрее, чем два-три десятка лет назад.
Так что время двигателей-«миллионников» давно «кануло в Лету» – их просто невыгодно
делать. Да и зачем? Ресурс мотора рассчитывается с учетом возможного пробега автомобиля: в среднем можно говорить максимум о 150 тыс. км.
Очевидно, ремонт двигателя должен продлить ресурс – но не до бесконечности, а до конца срока службы автомобиля (который тоже закладывается относительно небольшим – не более 10 лет). К чему это приводит? К тому, что некоторые ремонтные процессы становятся просто ненужными, а ремонтное оборудование «отстает» от современных двигателей.
Например, на старых моторах уровень нагрузки составлял 50 л/с с 1 л объема, а на современных (с наддувом) – вдвое больше. При такой разнице удельных мощностей и нагрузок на детали «старое-доброе» уже не работает – нужны новые технологии. Сегодня многие работы стало просто невозможно сделать без современного оборудования – шлифовального, расточного, хонинговального. Оно не слишком хорошо окупается, поэтому многие предпочитают работать по старинке. Но не тут-то было...
Так, для новых моторов нередко используются шатуны с «ломаными» крышками. Традиционные конструкции крышек шатунов, изготовленных отдельно, а потом собранных, для современных высоконагруженных двигателей не подходят – неточно и совсем недешево. И при ремонте традиционных шатунов всегда есть опасность нарушения соосности, что ведет к катастрофическим последствиям для мотора, хотя традиционные шатуны ремонтируются легко. А вот «колотые» – не ремонтируются вообще.
Еще пример – коленчатый вал на старом тихоходном двигателе можно было наварить и прошлифовать. Сейчас это невозможно даже представить: усталостные трещины очень быстро приведут к разрушению всего двигателя. Кроме того, ручная работа с большим количеством операций стоит дорого. А коленчатый вал легкового мотора – деталь массовая, а значит, и недорогая. И делать двойную, а то и тройную работу, чтобы восстановить деталь, которая потом быстро выйдет из строя, по крайней мере, экономически неэффективно.
При этом надо помнить, что просто замена одной детали, вышедшей из строя, не решает проблемы поломки двигателя в целом: такая локальная замена обычно предполагает «гарантию только до ворот». Современный высоконагруженный двигатель – это сложный комплекс, а потому его ремонт должен быть комплексным, с заменой всего «по кругу», чтобы даже самый экономный автовладелец не возвращался через каждые 10-15 тыс. км для замены очередной детали. Вот почему качественно отремонтированный мотор стоит всего лишь на 25-30% меньше нового. Но насколько такой ремонт выгоднее замены для владельца?
Так что современная тенденция в ремонте проглядывается – замена вышедшего из строя узла постепенно побеждает. Причем ремонт «в гараже на коленке» уже не удается. Поэтому неудивительно, что в последние годы значительно возросли требования к квалификации ремонтников, ощутимо выросла стоимость ремонта, а сам процесс стал сводиться больше к замене деталей, нежели к их восстановлению.
Есть и другая тенденция, когда производитель не дает запчастей вообще – только двигатель в сборе. И ремонтникам остается только поменять весь двигатель, вместо того чтобы его ремонтировать. А зачем чинить, если двигатели непрерывно усложняются, а квалифицированная ручная работа дорожает еще быстрее?
И наконец, «контрактные» моторы...
В заключение отметим: модные сегодня «контрактные» моторы становятся похожи на пресловутый «МММ». Нет в мире такой страны-«донора», где бы существовало столько двигателей с большим остатком ресурса. А поскольку двигатели современных легковых автомобилей рассчитаны на конечный и весьма ограниченный пробег, то покупка такого мотора давно стала лотереей – в которой, как известно, выигрывает один из тысяч. В лучшем случае.
А остальным предлагается раз в 10-20 тыс км купить очередной «билет» – пока не будет выбран их «лимит» на ремонт или замену мотора на новый.
- Александр Хрулев, канд. техн. наук, директор фирмы «АБ-Инжиниринг»