Будущее двс: Двигатели будущего: чувство такта — журнал За рулем – А не спеши ты ДВС хоронить: настоящее и будущее двигателя внутреннего сгорания

Содержание

Двигатели будущего: чувство такта — журнал За рулем

Умы изобретателей неустанно рождают альтернативные конструкции традиционных агрегатов. Чаще всего это один из главных узлов автомобиля — двигатель. Отделим реальность от утопии?

У OPOC единый коленвал в центре двигателя. Сделать мотор легче и компактнее, отказавшись от второго коленвала, позволила оригинальная компоновка шатунов. За открытие впускных и выпускных окон в стенках цилиндров отвечают сами поршни.

У OPOC единый коленвал в центре двигателя. Сделать мотор легче и компактнее, отказавшись от второго коленвала, позволила оригинальная компоновка шатунов. За открытие впускных и выпускных окон в стенках цилиндров отвечают сами поршни.

У OPOC единый коленвал в центре двигателя. Сделать мотор легче и компактнее, отказавшись от второго коленвала, позволила оригинальная компоновка шатунов. За открытие впускных и выпускных окон в стенках цилиндров отвечают сами поршни.

Все схемы открываются в полный размер по клику.

ВСТРЕЧНОЕ ДВИЖЕНИЕ

Особенность двухтактного дизеля профессора Питера Хофбауэра, посвятившего 20 лет своей жизни работе в концерне «Фольксваген», — два поршня в одном цилиндре, движущиеся навстречу друг другу. И название это подтверждает: Opposed Piston Opposed Cylinder (OPOC) — встречные поршни, встречные цилиндры.

Похожую схему еще в середине прошлого века использовали в авиации и танкостроении, например, на немецких «Юнкерсах» или советском танке T-64. Дело в том, что в традиционном двухтактном двигателе оба окна для газообмена перекрывает один поршень, а в двигателях с встречными поршнями в зоне хода одного поршня располагается впускное окно, в зоне хода второго — выпускное. Такая конструкция позволяет раньше открывать выпускное окно и благодаря этому лучше очищать камеру сгорания от отработавших газов. И заранее закрывать, чтобы сберечь некоторое количество рабочей смеси, которое у двухтактного двигателя обычно выбрасывается в выхлопную трубу.

В чем же изюминка конструкции профессора? В центральном (между цилиндрами) расположении коленвала, обслуживающего сразу все поршни. Это решение привело к довольно замысловатой конструкции шатунов. Их по паре на каждой шейке коленвала, причем на внешние поршни приходится по паре шатунов, расположенных по обе стороны цилиндра. Это схема позволила обойтись одним коленвалом (у прежних моторов их было два, размещенных по краям двигателя) и сделать компактный, легкий агрегат. В четырехтактных двигателях циркуляцию воздуха в цилиндре обеспечивает сам поршень, в моторе OPOC — турбонаддув. Для лучшей эффективности быстро разогнать турбину помогает электромотор, который в определенных режимах становится генератором и рекуперирует энергию.

Опытный образец, сделанный для армии без оглядки на экологические нормы, при массе 134 кг развивает 325 л.с. Подготовлен и гражданский вариант — с примерно на сотню сил меньшей отдачей. Как заявляет создатель, в зависимости от исполнения мотор ОРОС на 30–50% легче прочих дизелей сравнимой мощности и в два — четыре раза компактнее. Даже по ширине (это самое внушительное габаритное измерение) ОРОС всего вдвое превосходит один из самых компактных автомобильных агрегатов в мире — двухцилиндровый фиатовский «Твинэйр».

Мотор OPOC — образец модульной конструкции: двухцилиндровые блоки можно компоновать в многоцилиндровые агрегаты, соединяя их электромагнитными муфтами. Когда полная мощность не требуется, для экономии топлива один или несколько модулей могут отключаться. В отличие от обычных двигателей с отключаемыми цилиндрами, где коленвал шевелит даже «отдыхающие» поршни, механических потерь можно избежать. Интересно, а как обстоят дела с топливной экономичностью и вредными выбросами? Разработчик предпочитает обходить этот вопрос молчанием. Понятное дело — тут позиции двухтактников традиционно слабы.

РАЗДЕЛЬНОЕ ПИТАНИЕ

В двигателе Кармело Скудери классические четыре такта распределены между двумя цилиндрами: впуск и сжатие происходят в одном, а рабочий ход и выпуск — в другом.

В двигателе Кармело Скудери классические четыре такта распределены между двумя цилиндрами: впуск и сжатие происходят в одном, а рабочий ход и выпуск — в другом.

В двигателе Кармело Скудери классические четыре такта распределены между двумя цилиндрами: впуск и сжатие происходят в одном, а рабочий ход и выпуск — в другом.

Еще один пример ухода от традиционных догм. Кармело Скудери покусился на святое правило четырехтактных моторов: весь рабочий процесс должен происходить строго в одном цилиндре. Изобретатель поделил цикл между двумя цилиндрами: один отвечает за впуск смеси и ее сжатие, второй — за рабочий ход и выпуск. При этом традиционные четыре такта двигатель, именуемый мотором с разделенным циклом (SCC — Split Cycle Combustion), проходит всего за один оборот коленвала, то есть в два раза быстрее.

Вот как этот мотор работает. В первом цилиндре поршень сжимает воздух и подает его в соединительный канал. Клапан открывается, форсунка впрыскивает топливо, и смесь под давлением врывается во второй цилиндр. Сгорание в нем начинается при движении поршня вниз, в отличие от двигателя Отто, где смесь поджигают чуть раньше, чем поршень достигнет верхней мертвой точки. Таким образом, сгорающая смесь не препятствует в начальной стадии горения движущему навстречу поршню, а, наоборот, подталкивает его. Создатель мотора обещает удельную мощность в 135 л.с. с литра рабочего объема. Причем при значительном сокращении вредных выбросов благодаря более эффективному сгоранию смеси — например, с уменьшением выхода NOx на 80% в сравнении с этим же показателем для традиционного ДВС. Заодно утверждают, что SCC на 25% экономичнее равных по мощности атмосферных моторов. Однако лишний цилиндр — это дополнительная масса, увеличение габаритов, возрастающие потери на трение. Что-то не верится… Особенно если взять в пример новое поколение наддувных двигателей, сделанных под девизом даунсайзинга.

Кстати, для этого двигателя придумана оригинальная схема рекуперации и наддува «в одном флаконе» под названием Air-Hybrid. Во время торможения двигателем цилиндр рабочего хода отключается (клапаны закрыты), а цилиндр сжатия наполняет специальный резервуар сжатым воздухом. При разгоне происходит обратное: не работает цилиндр сжатия, а в рабочий нагнетается запасенный воздух — своего рода наддув. Собственно, при такой схеме не исключается и полный пневморежим, когда воздух будет толкать поршни в одиночку.

МОЩНОСТЬ ИЗ ВОЗДУХА

А не спеши ты ДВС хоронить: настоящее и будущее двигателя внутреннего сгорания

Двигатель внутреннего сгорания трудится на благо человечества уже более полутора веков. Чтобы не потерять работу, в ближайшие годы старичку придется измениться до неузнаваемости.

Электрическая розетка стала символом прогресса. Стенды большинства автокомпаний на прошедшем в январе Детройтском автосалоне буквально били током, а любое упоминание о старом добром ДВС звучало дурным тоном. Так что же — двигатель внутреннего сгорания с треском накрылся капотом? Не спешите с соболезнованиями. По‑крайней мере там же, в Детройте, представитель Toyota Коеи Сага на вопрос репортеров о том, когда ДВС, наконец, выйдет из игры, простодушно ответил: «Никогда! Когда кончится нефть, человечество будет заправлять его водородом».

Аналитики американского Департамента энергетики DOE считают, что ДВС может попыхтеть еще несколько десятилетий. Причем прирост эффективности бензиновых и дизельных двигателей к 2020 году может составить 30%, а к 2030-му — 50%. Технологии, которые помогут добиться этих результатов, тестируются уже сегодня.

Вездесущее пламя

В далеком 1978 году группа ученых японского института Clean Engine Research, пытавшихся оптимизировать процесс сгорания топлива в двухтактных мотоциклетных моторах, случайно зафиксировала необычный феномен, названный HCCI (Homogeneous charge compression ignition). При достижении определенного давления в камере бензинового двухтактника возгорание топливовоздушного заряда происходило без искры свечи зажигания. Но самое интересное — вместо привычного зажигания смеси около свечи и последующего распространения пламени на периферию в камере одновременно возникало огромное количество микроочагов возгорания. Как следствие, смесь сгорала при более низкой, чем обычно, температуре, очень быстро и практически полностью. Имеющийся в то время математический аппарат и уровень развития термодинамики не позволили понять причины возникновения феномена HCCI, и его посчитали курьезом. Через 20 лет в арсенале инженеров появились мощные средства компьютерного моделирования, которые помогли приоткрыть завесу тайны над HCCI. Работы в этой области в конце 1990-х годов начались в Германии (Mercedes-Benz, Volkswagen), Японии (Nissan) и Америке (General Motors).

Американский инженер Джон Заяц предложил собственную концепцию ДВС, близкую к двигателю с раздельным циклом Scuderi. Изобретатель утверждает, что его двигатель на 15% экономичнее дизеля и на 30% — бензинового аналога по мощности. В двигателе Заяца воздух из цилиндра сжатия попадает в камеру, в которой создается повышенное давление топливной смеси, на 40% больше обычного уровня для бензиновых моторов. Камера, её форма, принцип работы, дизайн и материалы для изготовления защищены 19 патентами. Воздух в ней смешивается с топливом и возгорается. Процесс сгорания смеси по времени намного продолжительней, чем в обычном ДВС. Внутри камеры создается особая среда — «горячая стена», которая является фактически аккумулятором энергии — неизменная температура и давление в ней сохраняются в 10−100 раз дольше, чем в камере сгорания обычного мотора. Затем раскаленные газы через специальный клапан попадают в рабочий цилиндр. Простота, минимимальное количество деталей и эффективность разработки Zajac Motors привлекли пристальное внимание автогигантов. В 2009 году у Заяца появились серьезные партнеры — General Motors и канадская Magna.

Для образования однородного топливовоздушного облака с предельно низкой плотностью в состав смеси вводятся горячие отработанные газы. Они быстро разогревают этот коктейль, облегчая его перемешивание внутри камеры. Если в условиях классического прямого впрыска топливо распыляется в виде аэрозоля, то в HCCI смесь представляет собой мельчайший туман. Когда поршень сжимает смесь до определенного объема, температура подскакивает до точки самовоспламенения. Сгорание HCCI характерно отсутствием открытого пламени и более низкой, чем у дизельных двигателей, температурой. В результате доля сгоревшего топлива вырастает до 95−97% в сравнении с 75% в циклах Отто и Дизеля. Причем на богатых смесях HCCI не работает — ему нужны почти гомеопатические доли топлива, на 30 и более процентов беднее, чем у лучших современных ДВС.

Bentley засняла процесс сборки Bentayga с помощью дрона

Тем не менее отработанная технология HCCI — пока еще дело будущего. Термодинамика процесса чрезвычайно сложна и требует от ученых решения массы проблем. Главные из них — неустойчивая работа на холостых и максимальных оборотах, неконтролируемая детонация остатков смеси и неравномерность распределения топливовоздушного облака в камере. Правда, в последние месяцы хорошие новости появляются ободряюще регулярно. Специалисты General Motors сообщают, что сумели обуздать стихию на малых оборотах, а британские инженеры из Lotus заявляют, что построили работающий прототип супердвигателя Omnivore, «снизу доверху» поддерживающий процесс HCCI. По мнению вице-президента компании Bosch Хеннинга Шнайдера, автомобили с расходом топлива в пределах 3 л на 100 км, оснащенные ДВС с технологией HCCI, станут серийными уже в 2015 году. У Volkswagen подход более осторожный — компания разрабатывает новый двигатель, работающий с использованием свечей зажигания при полной нагрузке и на холостом ходу, а в среднем диапазоне оборотов — в режиме HCCI. Инженеры Nissan также не стоят на месте — недавно они объявили о создании мощного софта, позволяющего создать компьютерную модель феномена HCCI, и уже начали работать над собственным супердвигателем.

Разделение труда

В пасхальное утро 2001 года инженер Кармело Скудери собрал в своем доме все семейство и торжественно сообщил, что разработал ДВС нового типа, который перевернет мир. Детальное описание технологии поместилось в нескольких рукописных блокнотах — старик не жаловал компьютер и все свои расчеты делал на логарифмической линейке. В 2002 году Кармело, только начав консультации с учеными Университета Саутвест, умер от инфаркта. Дело отца взяли в свои руки дети Скудери, и спустя всего восемь лет действующий прототип двигателя с разделенным циклом (Split-Cycle Combustion SCC) был представлен на Всемирном конгрессе Общества автомобильных инженеров SAE в Детройте. Надо сказать, что концепция разделенного цикла не нова. Еще в 1891 году американская компания Backus Water Motor Company выпускала малыми сериями такие моторы, но они не получили распространения, и идея сто лет пролежала на полке.

В двигателе Отто каждый поршень последовательно совершает такты всасывания, сжатия, рабочего хода и выпуска. В разработке Скудери обязанности по‑братски делятся между парными цилиндрами: один предназначен для впуска и сжатия, другой — для рабочего такта и выпуска отработанных газов. Цилиндры соединяются между собой каналами с клапанным механизмом, по которым сжатая топливовоздушная смесь поступает в рабочий цилиндр. Двигатель Скудери состоит из двух таких пар.

В цикле Отто рабочий ход происходит на каждом втором обороте коленчатого вала, в двигателе Скудери — на каждом. Разделение функций цилиндров позволяет более эффективно использовать каждый из них, например, увеличить ход рабочего поршня и длительность сгорания топлива, не превышая допустимой степени сжатия топлива. Зажигание смеси происходит после того, как рабочий поршень начинает двигаться вниз, в отличие от обычного двигателя с опережением зажигания. Расчеты показывают, что разделение цикла дает гораздо более высокую степень сжатия смеси и быстрое и полное ее сгорание.

В камере сгорания двигателя с системой HCCI (Homogeneous charge compression ignition) одновременно возникает огромное количество микроочагов возгорания. Экологические характеристики HCCI впечатляют. Если процесс сгорания солярки в дизельных двигателях вызывает повышенное образование сажи и окисей азота, то более «холодному» HCCI эти болячки неведомы. По словам Херманна Миддендорфа, руководителя проекта по разработке суперкомпактных бензиновых моторов EA111 компании Volkswagen, агрегаты типа HCCI смогут обойтись без дорогостоящего катализатора.

Сыновья Кармело усовершенствовали конструкцию мотора, добавив к ней баллон со сжатым воздухом. Воздух поступает в рабочий цилиндр, улучшая процесс сгорания смеси. При этом отработанные газы мотора Скудери содержат на 80% меньше углекислого газа и окисей азота, чем у традиционных четырехтактников. КПД мотора Скудери на 5−10% выше, чем у самых продвинутых современных дизельных турбоагрегатов. Добавление наддува увеличивает разрыв по КПД до 25−50%.

В 2008 году двигатель SCC привлек внимание нескольких крупных автопроизводителей, включая PSA Peugeot Сitroёn и Honda, которые подписали со Scuderi Group соглашения о доступе к изучению патентованной технологии. Немецкий Daimler и итальянский Fiat также публично подтвердили высокий интерес к мотору Скудери. Компания Robert Bosch заключила контракт со Scuderi Group на разработку компонентов к SCC в надежде, что однажды эта технология станет серийной. А выдающийся специалист по термодинамике из Массачусетского технологического института профессор Джон Хейвуд назвал разделенный цикл сгорания реальной альтернативой HCCI. Наладить сборку таких ДВС в промышленных масштабах на существующих заводах несложно — никаких экзотических материалов и нестандартных технологических операций для этого не требуется.

Всеядный двухтактник

Многие специалисты по ДВС сегодня делают ставку на механизм изменяемой степени сжатия VCR (Variable Compression Rate). Еще в марте 2000-го инженеры Saab представили прототип автомобиля с экспериментальным бензиновым двигателем 1,6 л с технологией SVC (Saab Variable Compression). Этот мотор выдавал 228 л.с. и 305 Н•м крутящего момента, потребляя при этом на 30% меньше топлива, чем обычные аналоги по мощности.

За прошедшие десять лет технология VCR сделала огромный шаг вперед. Французская компания MCE объявила недавно о создании двигателя MCE-5VCR. Степень сжатия в нем изменяется в пределах от 7:1 до 20:1, а расход топлива 1,5-литрового мотора на 30% ниже, чем у аналогов. Американская Envera разрабатывает 4-цилиндровый бензиновый VCR объемом 1,85 л со степенью сжатия от 8,5:1 до 18:1. Работа финансируется Департаментом энергетики США. Целевая мощность мотора составляет 300 л.с.- почти 162 л.с. на 1л объема. Расчетный максимальный крутящий момент превышает 400 Н•м при 4000 оборотах вала. Ключевой элемент конструкции — гидравлический актуатор, который поворачивает эксцентрик, связанный с коленвалом двигателя. Качание эксцентрика поднимает и опускает вал относительно головки блока цилиндров, изменяя степень сжатия от 8,5 до 18:1.

Дальше всех в разработке технологии VCR продвинулась знаменитая Lotus Engineering. На Женевском автосалоне в марте 2009 года британцы представили свой концептуальный ДВС Omnivore («Всеядный»). Двухтактный бензиновый мотор с прямым впрыском топлива и изменяемой степенью сжатия от 10:1 до 40:1, по заявлению инженеров Lotus, способен переваривать любое жидкое топливо и при этом экономичен и экологически чист.


Пять тактов, три циллиндра

Bentley засняла процесс сборки Bentayga с помощью дрона На выставке Engine EXPO 2009 британская компания Ilmor Engineering представила концептуальный пятитактный ДВС. Идея автора концепции Герхарда Шмитца заключается в использовании четырех- и двухтактной схемы в одном агрегате. Три цилиндра пятитактного ДВС имеют разный внутренний диаметр. Маленькие первый и третий работают по обычному четырехтактному циклу. Средний, низкого давления, — на остаточном расширении отработанных газов в двухтактном режиме. Во время первых трех тактов смесь, как обычно, всасывается, сжимается и совершает рабочий ход в малых цилиндрах. Во время четвертого такта отработавшие газы перемещаются из малых цилиндров в большой и сжимаются. Остаточное расширение выхлопа в большом цилиндре обусловливает пятый, рабочий такт.

Omnivore — это моноблок с цельнолитыми блоком и головкой. Рабочий объем мотора — всего 0,5 л. Одно из главных преимуществ моноблока — отсутствие выработки диаметра цилиндра. В обычных ДВС износ происходит из-за микронных движений болтов в местах крепления головки к блоку. Инновационный улавливающий клапан CTV (Charge Trapping Valve) в выпускном тракте позволяет варьировать время открытия выпускного клапана в широком диапазоне. Система впрыска FlexDI с давлением 6,5 атм для Omnivore создана австралийской компанией Orbital. Она позволяет готовить сбалансированную смесь внутри цилиндра независимо от вида топлива. Такая смесь является базовой для режима HCCI, а система управления впрыском — основой для управления параметрами HCCI.

Механизм изменения степени сжатия Omnivore представляет собой подвижную шайбу в верхней части цилиндра, движущуюся за счет вращения пары эксцентриков. В нижней позиции шайбы степень сжатия достигает 40:1. В шайбу интегрирован один из инжекторов FlexDI, а второй, неподвижный, встроен в корпус цилиндра. Испытания продемонстрировали надежную работу Omnivore в режиме HCCI во всем диапазоне оборотов, при этом он с солидным зазором уложился в рамки нормативов Евро-6.

Почему британцы взялись за двухтактную конфигурацию? «Lotus Engineering, как и многие другие автокомпании, долго придерживалась четырехтактных концепций. Это следствие исторического доминирования таких агрегатов. Проблема таких ДВС — неэффективное сжигание топлива на частичных и экстремальных нагрузках. Двухтактники не страдают этим недугом и потому крайне интересны для автоиндустрии. Кроме того, они не требуют компактизации», — поясняет Джейми Тернер, главный инженер Lotus Engineering. По оценкам Lotus, коммерциализация Omnivore займет еще полтора-два года.

Статья опубликована в журнале «Популярная механика» (№3, Март 2010).

ДВС это прошлое или будущее?

Как долго будут существовать двигатели внутреннего сгорания?

ДВС это прошлое или будущее?

Двигатели внутреннего сгорания в том или ином виде доминировали на протяжении почти 100 лет. Это был основной механизм приведения в движение автомобиля на протяжении всего XX века. В наши дни он по-прежнему имеет огромное преимущество перед конкурирующими системами, несмотря на развитие альтернативы.

 

Конечно, прогресс не стоит на месте и даже в самом начале повторной попытки завоевания рынка альтернативными гибридными системами и электромоторами, экологические моторы показывают свои определенные преимущества. Тем не менее работающие по циклу Отто двигатели внутреннего сгорания все еще крепко стоят на ногах. Никто в мире не придумал подобную систему, которая имела бы такой же коэффициент действия, надежность, удобство и автономность. Это лишь часть причин, по которым ДВС продолжают оставаться доминирующими долгожителями и в начавшемся XXI веке. Есть немалая вероятность того, что за счет своей приспосабливаемости, бензиновые и дизельные моторы смогут прижиться и в будущем.

 

Выносливый ДВС

«Мы полностью убеждены в том, что двигатели внутреннего сгорания будут основным источником, приводящим в движение автомобили», сказал Вольфганг Бройер, исполнительный вице-президент BU Engine Systems. Он поведал свой взгляд на развитие технологий в ближайшие годы.

ДВС это прошлое или будущее?

«Да, мы видим электрификацию, мы серьезно работаем над этим во всех направления, так сказать, и да, мы также считаем, что в конечном итоге полностью электрических транспортных средств будет большинство,» сказал Бройер, «но мы не уверены в том, что это произойдет до 2025 года» объяснив, что это происходит из-за того, что данная технология просто не готова к прорыву. Электромобили может быть чище и эффективнее, чем его бензиновые соперники, но они до сих пор имеют слишком много компромиссов.

 

Возьмите Nissan Leaf к примеру. Это чисто электрический автомобиль является впечатляющим технологичным ноу-хау. На бумаге у него отличный диапазон передвижения. На одной зарядке он может преодолеть внушительное расстояние. На практике, максимальный километраж до остановки электрокара составляет в среднем 107 миль (170 км), что просто недостаточно для многих автомобилистов.

 

Обучить старую собаку новым трюкам

Еще одна причина для дальнейшего доминирования бензиновых и дизельных двигателей является то, что они не стоят на месте. Автопроизводители и компании-поставщики продолжают продвигать технологии вперед, делают данные энергетические установки чище, более «плавными» и эффективными.

 

«Теперь, следующая вещь, которая приходит в ДВС- переменная степень сжатия,» сказал собеседник. То, что может быть достигнуто путем изменения цикла Аткинсона, который задерживает закрытие впускных клапанов двигателя для повышения теплового коэффициента полезного действия. Технология переменной степени сжатия может повысить эффективность использования топлива на 2- 3 процента, что в мире техники является огромным прорывом.

ДВС это прошлое или будущее?

Переход к 48-вольтовым электрических системам обеспечит дополнительные преимущества эффективности в ближайшие годы. Подумайте об этой технологии, как о недорогом мосту между гибридами и обычными автомобилями. Реализация на практике этих более мощных электрических систем позволяет добиться многочисленных преимуществ. Периферические системы, такие как компрессоры кондиционирования воздуха, масляные и водяные насосы смогут работать на электричестве вместо топлива. Кроме того, эти системы могут позволить автомобилю, достигнув крейсерской скорости ехать с выключенным двигателем, еще больше сокращая потребление.

 

Смотрите также: Лучшие двигатели 2015 года

 

Переход к 48 вольтам позволяет также применить разработанные Continental инновации. К примеру технологию «e-charging», так называемую электронную зарядку. Эта технология посылает поток воздуха на лопасти турбины турбокомпрессора, который позволяет ему вращаться очень быстро даже при низких оборотах двигателя, что значительно сокращает турбояму. E-зарядка дебютирует на новой Audi SQ7, которая оснащена усовершенствованным дизельным двигателем и 48-вольтовой электроникой.

ДВС это прошлое или будущее?

48-вольтовые системы могут повысить реальную эффективность использования топлива на целых 20 процентов, и при этом при гораздо более низкой стоимости по сравнению с гибридными технологиями.

Не стоит забывать о базисе. Исходной части двигателя внутреннего сгорания не исчерпала заложенного в нее потенциала. Еще много манипуляций можно сделать с основой ДВС. Главная тенденция по этой части уже просматривается, уменьшение объема и установка наддува и турбин на двигатели. *

 

*Стоит обратить внимание, что при уменьшении объема моторов, их мощность действительно год от года увеличивается. Но возникает другая проблема, надежность малолитражных и очень мощных агрегатов снижается. Ввиду того, что технологии не сильно обкатаны, всплывают инженерные просчеты, часты поломки. Ресурс подобных двигателей невозможно назвать большим.

 

Изменение объема двигателей и навешивание на них многочисленных турбин. Это лишь верхушка айсберга. Важные работы проходят по снижению трения компонентов, уменьшению насосных потерь. Управление температурным режимом в целом, еще одна большая тема, которая находится в разработке.

 

Системы утилизации тепла можно встретить на некоторых гоночных автомобилях и коммерческих транспортных средствах. Могут ли они стать мейнстримом? Бройер не испытывает оптимизма по этому поводу. В легковых автомобилях подобного функционала не будет еще долго, из-за вопросов стоимости и массивности.

 

В дополнение ко всему вышесказанному, разработчики долгое время прорабатывали систему воспламенения топлива от сжатия для бензиновых двигателей. В теории задумка имеет потенциал, чтобы значительно сократить расход топлива, хотя, возможно, на практике мы этого не увидим. По крайней мере с сегодняшними технологиями.

ДВС это прошлое или будущее?

Помимо этого, сжигание обедненной топливной смеси имеет множество других проблем. Если вы выходите за пределы узкого окна в котором происходит воспламенение от сжатия, это означает, что вы теряете все преимущества. Кроме того, при этом двигатель будет выбрасывать даже большее количество NO, для нейтрализации которого потребуются дополнительные системы контроля выбросов, автоматически увеличивающие стоимость автомобиля и эффективность.

 

В ближайшие годы, заявил специалист, «Мы считаем, что тенденция к развитию бензинового турбо двигателя будет продолжаться». Будет улучшаться качество двигателей, развиваться технологии. Лишь в 2011 году Фордом был запущен 1.0 литровый трехцилиндровый двигатель EcoBoost. Но уже сейчас он заслужил множество хвалебных отзывов и показал свою состоятельность.

 

В течение следующих 5- 6 лет мы увидим увеличение количества турбированных двигателей на рынке в два раза к сегодняшнему объему.

 

Это означает, что развитие традиционных, атмосферных установок уже резко замедлилось. Дальше- больше.

 

Дизель мертв?

Конечно, повышение доступности двигателей внутреннего сгорания является одним из способов повышения эффективности использования топлива, но продолжающийся дизельный скандал Фольксваген до сих пор вызывает вопросы. «Никто из нас не ожидал, что что-то подобное произойдет,» сказал Бройер.

 

Ущерб, нанесенный репутации дизельного двигателя еще не определён в этой точке, но некоторые специалисты не испытывают оптимизма. «У меня больше нет серьезных надежд на дизельное топливо в США,» сказал он. «Оно никогда не имело большой доли на рынке, но я думаю, что этот скандал Volkswagen не помог продвинуть дизельные дела вперед».

ДВС это прошлое или будущее?

Он сказал, что количество дизелей действительно никогда не переходило за долю рынка в 2,5% в Штатах, даже в коммерческих автомобилях это доля была невелика. Наверное, двигатели, работающие на ДТ останутся лишь на грузовых автомобилях и автобусах.

 

Что важнее, крутящий момент или лошадиные силы

 

Раздув скандал и выведя VW на чистую воду, американцы нанесли сокрушительный удар по имиджу VW в своей стране. Тем не менее в Европе и других странах мира, в том числе и в России, особой неприязни к чадящим моторам население не испытывает. Проблемы у немецкого автогиганта конечно же большие, но как они их будут решать и насколько это будет продуктивно, ответить на данный вопрос сейчас не в состоянии ни один аналитик. Иски к VW идут один за другим, некоторые из них составляют миллиарды долларов. А ведь помимо судебных тяжб, немцам потребуется физически решить экологическую неполноценность моделей.

 

В общем, развязка самого громкого скандала в автомобильном мире последних десятилетий еще впереди. Если дизель выдержит натиск критики, то у него будет не менее блистательное будущее, чем у бензинового собрата.

 

Будущее

ДВС по многим причинам останутся с нами в ближайшем будущем, их постепенно начнут вытеснять электрические транспортные средства (причем со временем электромоторы могут перейти и на коммерческие или даже грузовые автомобили). Распространение электрических автомобилей неизбежно. В глобальном масштабе, по мнению аналитиков, к 2025 году количество электрических транспортных средств едва дойдет до 2%, а скорее всего даже будет меньше данного порога. Это небольшое количество, но, вероятно, это шаг в правильном направлении, подытожили они.

ДВС это прошлое или будущее?

«Я думаю, что есть понимание того, что вы можете сделать более полезные вещи с нефтью, чем его сжигание,» сказал Бройер. «В конце концов, речь идет об использовании наших ресурсов настолько эффективно, насколько это возможно».

ДВС это прошлое или будущее? — ЗА БАРАНКОЙ

Как долго будут существовать двигатели внутреннего сгорания?

Двигатели внутреннего сгорания в том или ином виде доминировали на протяжении почти 100 лет. Это был основной механизм приведения в движение автомобиля на протяжении всего XX века. В наши дни он по-прежнему имеет огромное преимущество перед конкурирующими системами, несмотря на развитие альтернативы.

 

Конечно, прогресс не стоит на месте и даже в самом начале повторной попытки завоевания рынка альтернативными гибридными системами и электромоторами, экологические моторы показывают свои определенные преимущества. Тем не менее работающие по циклу Отто двигатели внутреннего сгорания все еще крепко стоят на ногах. Никто в мире не придумал подобную систему, которая имела бы такой же коэффициент действия, надежность, удобство и автономность. Это лишь часть причин, по которым ДВС продолжают оставаться доминирующими долгожителями и в начавшемся XXI веке. Есть немалая вероятность того, что за счет своей приспосабливаемости, бензиновые и дизельные моторы смогут прижиться и в будущем.

 

Выносливый ДВС

«Мы полностью убеждены в том, что двигатели внутреннего сгорания будут основным источником, приводящим в движение автомобили», сказал Вольфганг Бройер, исполнительный вице-президент BU Engine Systems. Он поведал свой взгляд на развитие технологий в ближайшие годы.

«Да, мы видим электрификацию, мы серьезно работаем над этим во всех направления, так сказать, и да, мы также считаем, что в конечном итоге полностью электрических транспортных средств будет большинство,» сказал Бройер, «но мы не уверены в том, что это произойдет до 2025 года» объяснив, что это происходит из-за того, что данная технология просто не готова к прорыву. Электромобили может быть чище и эффективнее, чем его бензиновые соперники, но они до сих пор имеют слишком много компромиссов.

 

Возьмите Nissan Leaf к примеру. Это чисто электрический автомобиль является впечатляющим технологичным ноу-хау. На бумаге у него отличный диапазон передвижения. На одной зарядке он может преодолеть внушительное расстояние. На практике, максимальный километраж до остановки электрокара составляет в среднем 107 миль (170 км), что просто недостаточно для многих автомобилистов.

 

Обучить старую собаку новым трюкам

Еще одна причина для дальнейшего доминирования бензиновых и дизельных двигателей является то, что они не стоят на месте. Автопроизводители и компании-поставщики продолжают продвигать технологии вперед, делают данные энергетические установки чище, более «плавными» и эффективными.

 

«Теперь, следующая вещь, которая приходит в ДВС- переменная степень сжатия,» сказал собеседник. То, что может быть достигнуто путем изменения цикла Аткинсона, который задерживает закрытие впускных клапанов двигателя для повышения теплового коэффициента полезного действия. Технология переменной степени сжатия может повысить эффективность использования топлива на 2- 3 процента, что в мире техники является огромным прорывом.

Переход к 48-вольтовым электрических системам обеспечит дополнительные преимущества эффективности в ближайшие годы. Подумайте об этой технологии, как о недорогом мосту между гибридами и обычными автомобилями. Реализация на практике этих более мощных электрических систем позволяет добиться многочисленных преимуществ. Периферические системы, такие как компрессоры кондиционирования воздуха, масляные и водяные насосы смогут работать на электричестве вместо топлива. Кроме того, эти системы могут позволить автомобилю, достигнув крейсерской скорости ехать с выключенным двигателем, еще больше сокращая потребление.

 

Переход к 48 вольтам позволяет также применить разработанные Continental инновации. К примеру технологию «e-charging», так называемую электронную зарядку. Эта технология посылает поток воздуха на лопасти турбины турбокомпрессора, который позволяет ему вращаться очень быстро даже при низких оборотах двигателя, что значительно сокращает турбояму. E-зарядка дебютирует на новой Audi SQ7, которая оснащена усовершенствованным дизельным двигателем и 48-вольтовой электроникой.

48-вольтовые системы могут повысить реальную эффективность использования топлива на целых 20 процентов, и при этом при гораздо более низкой стоимости по сравнению с гибридными технологиями.

Не стоит забывать о базисе. Исходной части двигателя внутреннего сгорания не исчерпала заложенного в нее потенциала. Еще много манипуляций можно сделать с основой ДВС. Главная тенденция по этой части уже просматривается, уменьшение объема и установка наддува и турбин на двигатели. *

 

*Стоит обратить внимание, что при уменьшении объема моторов, их мощность действительно год от года увеличивается. Но возникает другая проблема, надежность малолитражных и очень мощных агрегатов снижается. Ввиду того, что технологии не сильно обкатаны, всплывают инженерные просчеты, часты поломки. Ресурс подобных двигателей невозможно назвать большим.

 

Изменение объема двигателей и навешивание на них многочисленных турбин. Это лишь верхушка айсберга. Важные работы проходят по снижению трения компонентов, уменьшению насосных потерь. Управление температурным режимом в целом, еще одна большая тема, которая находится в разработке.

 

Системы утилизации тепла можно встретить на некоторых гоночных автомобилях и коммерческих транспортных средствах. Могут ли они стать мейнстримом? Бройер не испытывает оптимизма по этому поводу. В легковых автомобилях подобного функционала не будет еще долго, из-за вопросов стоимости и массивности.

 

В дополнение ко всему вышесказанному, разработчики долгое время прорабатывали систему воспламенения топлива от сжатия для бензиновых двигателей. В теории задумка имеет потенциал, чтобы значительно сократить расход топлива, хотя, возможно, на практике мы этого не увидим. По крайней мере с сегодняшними технологиями.

Помимо этого, сжигание обедненной топливной смеси имеет множество других проблем. Если вы выходите за пределы узкого окна в котором происходит воспламенение от сжатия, это означает, что вы теряете все преимущества. Кроме того, при этом двигатель будет выбрасывать даже большее количество NO, для нейтрализации которого потребуются дополнительные системы контроля выбросов, автоматически увеличивающие стоимость автомобиля и эффективность.

 

В ближайшие годы, заявил специалист, «Мы считаем, что тенденция к развитию бензинового турбо двигателя будет продолжаться». Будет улучшаться качество двигателей, развиваться технологии. Лишь в 2011 году Фордом был запущен 1.0 литровый трехцилиндровый двигатель EcoBoost. Но уже сейчас он заслужил множество хвалебных отзывов и показал свою состоятельность.

 

В течение следующих 5- 6 лет мы увидим увеличение количества турбированных двигателей на рынке в два раза к сегодняшнему объему.

 

Это означает, что развитие традиционных, атмосферных установок уже резко замедлилось. Дальше- больше.

 

Дизель мертв?

Конечно, повышение доступности двигателей внутреннего сгорания является одним из способов повышения эффективности использования топлива, но продолжающийся дизельный скандал Фольксваген до сих пор вызывает вопросы. «Никто из нас не ожидал, что что-то подобное произойдет,» сказал Бройер.

 

Ущерб, нанесенный репутации дизельного двигателя еще не определён в этой точке, но некоторые специалисты не испытывают оптимизма. «У меня больше нет серьезных надежд на дизельное топливо в США,» сказал он. «Оно никогда не имело большой доли на рынке, но я думаю, что этот скандал Volkswagen не помог продвинуть дизельные дела вперед».

Он сказал, что количество дизелей действительно никогда не переходило за долю рынка в 2,5% в Штатах, даже в коммерческих автомобилях это доля была невелика. Наверное, двигатели, работающие на ДТ останутся лишь на грузовых автомобилях и автобусах.

 

Раздув скандал и выведя VW на чистую воду, американцы нанесли сокрушительный удар по имиджу VW в своей стране. Тем не менее в Европе и других странах мира, в том числе и в России, особой неприязни к чадящим моторам население не испытывает. Проблемы у немецкого автогиганта конечно же большие, но как они их будут решать и насколько это будет продуктивно, ответить на данный вопрос сейчас не в состоянии ни один аналитик. Иски к VW идут один за другим, некоторые из них составляют миллиарды долларов. А ведь помимо судебных тяжб, немцам потребуется физически решить экологическую неполноценность моделей.

 

В общем, развязка самого громкого скандала в автомобильном мире последних десятилетий еще впереди. Если дизель выдержит натиск критики, то у него будет не менее блистательное будущее, чем у бензинового собрата.

 

Будущее

ДВС по многим причинам останутся с нами в ближайшем будущем, их постепенно начнут вытеснять электрические транспортные средства (причем со временем электромоторы могут перейти и на коммерческие или даже грузовые автомобили). Распространение электрических автомобилей неизбежно. В глобальном масштабе, по мнению аналитиков, к 2025 году количество электрических транспортных средств едва дойдет до 2%, а скорее всего даже будет меньше данного порога. Это небольшое количество, но, вероятно, это шаг в правильном направлении, подытожили они.

«Я думаю, что есть понимание того, что вы можете сделать более полезные вещи с нефтью, чем его сжигание,» сказал Бройер. «В конце концов, речь идет об использовании наших ресурсов настолько эффективно, насколько это возможно».



Источник

Есть ли будущее у ДВС? Анализ последних тенденций |

Есть ли будущее у ДВС? Анализ последних тенденций

Автор: Максим Маркин
Источник: Drom.ru

Казалось бы, вопрос ухода со сцены двигателя внутреннего сгорания решен. «Электрички» от разных производителей уже в ассортименте. Кто-то делает упор на топливные элементы. И многие страны создают условия для перехода на выпуск «чистого» транспорта. Во всяком случае, заявляют о том, что «к такому-то году не хотели бы видеть на дорогах автомобили, сжигающие топливо». Все! Амба! Так что, через пару-тройку десятилетий не старый на данный момент «потребитель углеводородов» будет восприниматься как Oldsmobile 442, обнаруженный героем Сильвестра Сталлоне в фильме «Разрушитель»? Как реликт, как динозавр? По-моему, не стоит спешить с выводами.

Oldsmobile 442

Тренд очевиден. «Чистая энергия», менее связанная с природными ресурсами и не загрязняющая мегаполисы, которые давно задыхаются от выхлопа, безусловно, получит массовое распространение. Но стоит ли уже сейчас ставить крест на ДВС? Ряд производителей — из Германии, Японии — вовсе не собираются этого делать. И будем говорить прямо, при всем инженерном потенциале не спешат пожинать лавры Илона Маска. Напротив, продолжают доводить конструкцию ДВС «до звона». То же делают и разработчики комплектующих. Вот Bosch недавно анонсировал завершение работ над системой очистки дизельных двигателей. А куда деваться всем остальным — производителям моторной периферии, «расходников», которые не найдут применения на электромобилях? Думается, что есть некое лобби и в этой среде, не говоря уже о нефтяных магнатах.

В общем, ожидать дальнейшего развития двигателя надо и от партнеров автокомпаний, и от самих производителей автомобилей. По каким путям оно идет? Нулевой выброс? О чем вы говорите! Важно сохранить мощность на более-менее привычном уровне. Но при этом уложиться в ужесточающиеся эконормы, которые в том числе привязаны к расходу топлива (в рамках всего модельного ряда компании). Как мы знаем, именно эти цели преследовал даунсайзинг. И примерно в то же время определившаяся тяга инженеров увеличивать точку термостатирования — фактически повышать рабочую температуру двигателя. От первого вроде бы потихоньку отказываются. По крайней мере, процесс не двинулся дальше — к откровенно мизерным рабочим объемам на сравнительно крупных автомобилях. Второе явление, нашедшее применение в основном на моторах европейских, похоже, укоренилось конкретно и отката с 95–120 градусов, на которых трудятся нынешние моторы, к прежним 80–90 не предвидится. Как не будет повального отказа от турбонаддува, систем изменения фаз газораспределения, возможно, непосредственного впрыска, EGR, использования мочевины на дизелях. Словом, всего того, что позволяло выжимать из двигателя крохи экономии и экологии. Что же дальше? Еще раз скажем — поле для деятельности имеется. Отчасти связанное с электрификацией и гибридизацией. Тем не менее существуют проекты, где главенствующая роль отводится чистой механике, точнее, модернизации процессов горения топлива.

Горючее плюс электричество

Почему, собственно, нужно совсем отказываться от привычного двигателя, если его можно совмещать с электромотором? Все мы знакомы с Prius. А в конце минувшего десятилетия и в начале нынешнего не только Toyota и другие японские компании, но и немцы из разряда премиальных кинулись совмещать ДВС и электричество. Таковыми, например, стали Mercedes-Benz S 400 BlueHybrid, BMW ActiveHybrid 7, Porsche Panamera S Hybrid.

В них связка обоих агрегатов работала по параллельной схеме. Электромотор был встроен между ДВС и коробкой передач. При незначительной мощности — всего 10–15 кВт — он работал в качестве стартера, запасал энергию в батарею и помогал двигателю на разгоне. Потом производители туда же начали ставить электромоторы в 30–50 кВт, которые позволили передвигаться только на электротяге. Рост мощности продолжился. Скажем, недавно Audi представила Q7 e-tron с бензиновым и дизельным двигателем, где расположенный там же электромотор развивает уже 94 кВт, а сам автомобиль — так называемый plug in, то есть подзаряжаемый. Иными словами, немцы пошли по тому же пути, что ранее японцы со своим Приусом или, к примеру, Outlander PHEV. Только сделали это на ином потребительском уровне. В городском трафике (до 50 или около того км) e-tron может передвигаться только на электричестве. На автобанах — использовать мощные ДВС в связке с электромоторами. Получается и экономично, когда это необходимо, и быстро в других случаях.

Говорим о симбиозе, о гибридах. Между тем сделать экологичнее ДВС можно без стыковки его с «киловаттным помощником». Просто максимально разгрузить коленвал, таким образом сделав работу ДВС легче. Вспомним систему i-Eloop от Mazda, в которой при торможении происходит рекуперация энергии и запасание ее в так называемом суперконденсаторе, способном заряжаться за несколько секунд. Потом он расходует ее на питание электрооборудования, на зарядку аккумулятора.

Следующий шаг — переход на 48-вольтовую вспомогательную систему. Например, на Audi SQ7 с 4,0-литровой «восьмеркой» она понадобилась для устройства в дополнение к двум основным и традиционным третьего компрессора, работающего от электромотора мощностью 7 кВт. Вроде никакой тут экономии! Но ведь это дизель, который сам по себе бережлив в потреблении топлива. И при этом он развивает 435 л.с., а его 900 Нм доступны с 1000 об/мин. Налицо желание получить этакую Теслу (пуляет дизельный кроссовер немногим хуже электролифтбека), пусть и не с нулевым потреблением/выбросами, однако не расходующую горючее ведрами.

В Mercedes, разрабатывая новую рядную «шестерку» M256 объемом 3,0 литра, преследовали те же цели. В ней также есть электронаддув, питающийся от 48-вольтовой системы. Последняя, помимо этого, работает в связке со стартером-генератором, который и заводит мотор, и работает в режиме рекуперации, и добавляет ДВС 20 л.с. (общая отдача до 435 сил).

Что принципиально, от вспомогательной системы питается электрическая помпа и компрессор кондиционера. Это позволило снять лишнюю нагрузку с коленвала и сделать общую длину двигателя меньше. А отказ от V6 вызван невозможностью максимально близко к «головкам» разместить катколлекторы, что необходимо для их быстрого прогрева и соблюдения двигателем новых эконорм.

На шарнирах или без распредвалов

48 вольт, электронаддув и прочее — это все периферия. Что-то можно сделать с самим мотором, с блоком, «головкой», поршневой группой? Например, в реальном времени изменять степень сжатия. Зачем это нужно? Известно, что при высоких ее значениях топливо сгорает гораздо эффективнее. Но есть риск детонации и невозможно использовать наддув. А вот если подстраивать степень сжатия под режимы работы двигателя… Теоретические выкладки были предложены еще век назад. Претворить их в жизнь с тех пор пытались многие крупные производители. Предлагали, скажем, раздвижные поршни и шатуны. Устраивали дополнительные поршни, изменявшие объем камер сгорания. Предлагалось даже смещать коленвал относительно блока цилиндров.

В результате на легковых моторах первую рабочую систему в 2000 году предложил Saab. 1,6-литровый SVC имел приводной нагнетатель и моноблок («головку» объединенную с блоком). В нем — эксцентриковый вал, который наклонял цилиндры относительно коленвала, изменяя степень сжатия в пределах 8:1–14:1.

Шведы изготовили ходовой прототип, однако до серийного выпуска дело не дошло. Таковой начался только в конце прошлого года. Ниссановцы на модели Infiniti QX50 представили «четверку» 2,0 VC-T (или KR20DDET). Здесь так же, как у шведов, был использован турбонаддув и аналогичный диапазон изменения степени сжатия, хотя схему, за счет которой изменяется степень сжатия, выбрали принципиально иной. Ее, кстати, еще при СССР запатентовали в нашем НАМИ. Шатун в этом моторе соединен с коленвалом через коромысло, другим концом связанное с эксцентриковым (управляющим) валом. А тот, в свою очередь, с электроприводом. Актуатор вращается, поворачивает промежуточный вал, что меняет положение коромысла и снижает либо поднимает положение верхней мертвой точки. Смотрите видео:

В том же 2017-м свою разработку запатентовала Toyota. По мнению этой компании, оптимально достигать изменения степени сжатия за счет увеличения расстояния между поршнем и шейкой коленвала. Достигается это за счет устройства вместо поршневого пальца эксцентрикового механизма, чье положение регулируется поршеньками, выезжающими из тела шатуна.

Тем не менее пока как-то не кинулись автопроизводители внедрять эту систему. По мощности что саабовский (225 л.с.), что ниссановский (268 л.с.) моторы — на уровне обычных высокофорсированных наддувных «четверок» своего времени. Правда, в Nissan проводят сравнение с VQ35, который он, видимо, постепенно вытеснит. И отмечают — VC-T где-то на четверть его экономичнее. С другой стороны, японцев после вступления в альянс с французами не упрекнешь в необоснованных тратах. Некий инженерный и экономический смысл в этом есть.

Существует ли он в работе, которую с начала 2000-х ведут в шведской компании Koenigsegg, точнее, в подконтрольной фирме Freevalve, большой вопрос. Безусловно, Кристиан фон Кенигсегг — владелец обоих подразделений — этакий Илон Маск, разве что масштабом поменьше. Энтузиазма не занимать, с инженерным потенциалом тоже все в порядке. Строил же суперкары с одноименным названием, сочетанием массы к мощности в 1:1 и самым быстрым разгоном до 300 км/ч. Для которых создавал версии фордовских «восьмерок» мощностью под тысячу и более «лошадей». Но с созданием двигателя без распредвалов что-то не задалось.

Идея была хороша — вместо всего механизма ГРМ внедрить актуаторы, которые бы открывали/закрывали клапаны. По весу и габаритам сразу минус вся «головка» с содержимым. К тому же при таком принципе работы как угодно можно сдвигать фазы, имитировать циклы, включая двухтактный, отключать те или иные цилиндры. Впрочем, быстро выяснилось, что нет устройств, которые бы оперировали клапанами с необходимой частотой. Именно их разработка и ставится в заслугу фирме Кенигсегга. В своих изделиях Freevalve совместил пневмо- и гидропривод, что якобы позволило клапанам успешно работать вплоть до 10 000 об/мин. Еще в конце прошлого десятилетия на основе саабовского был создан camfree-двигатель — лишенный распредвалов агрегат.

По заявлениям создателя, он 30% моментнее обычного, на треть его экономичнее и вдвое экологичнее.

К сожалению, с тех пор серийного воплощения так и не появилось. Автопроизводители лишь осторожно сообщают о том, что исследуют этот вопрос, на деле используя десмодромные и бездроссельные механизмы. Да вот еще британская компания Camcon Auto совместно с Jaguar и Land Rover разрабатывает свою IVA — Intelligent Valve Actuation. Так что самым близким к конвейеру достижением можно считать сотрудничество шведов с китайской фирмой Qoros, по итогам которого был представлен Qamfree Concept. Его наддувная «четверка» имеет объем 1,6 л, развивая 240 л.с. и 320 Нм. У нее, по словам создателей, на 15% меньше расход топлива и на 35% — вредные выбросы. Тот же Кенигсегг говорил о создании серии машин для ходовых тестов. Но последние новости об этом проекте датированы концом 2016 года.

Пара цилиндров и тактов

Что тут сказать, китайцы падки на все новое, перспективное и не столь искушены в инжиниринге. Но, глядишь, что-нибудь у них и выйдет. Автопроизводители из Старого Света, Японии, США консервативны. Крайне осторожно относятся ко всему тому, что рушит стереотипы касательно привычной конструкции ДВС. Крушить их — удел небольших инжиниринговых фирм, часто не имеющих финансирования и мощностей для собственного производства. Вспомним роторно-лопастной двигатель, разрабатывавшийся Ё-Авто. Или аксиальный мотор новозеландской компании Duke Engines (видео ниже).

Но это конструкции, достаточно далеко ушедшие от традиционного поршневого агрегата. Хватает и таких, где за основу взяты тот же коленвал, шатуны, поршни, однако пересмотрены принципы смесеобразования, горения, тактность. Вот, к примеру, мотор Кармело Скудери.

Суть в том, что четыре такта здесь разделены на парные цилиндры, в одном из которых осуществляется впуск и сжатие, во втором — рабочий ход и выпуск. Пар цилиндров две, каждая соединена между собой каналами с клапанами, по которым сжатая смесь перемещается из цилиндра в цилиндр. Сам инженер умер вскорости после разработки своего детища. Дело продолжили сыновья, добавившие мотору баллон, который при торможении получает сжатый воздух (рабочий цилиндр отключается). На разгоне отключается цилиндр сжатия, и воздух поступает во второй именно из этой емкости. Получается нечто вроде наддува. Рабочий ход поршни совершают на каждом обороте коленвала, а не на каждом втором, как в привычном «четырехтактнике». Создатели заявляют о литровой мощности в 135 сил и о меньшем на 80% содержании в выпуске угарного газа и окислов азота. В начале нынешнего десятилетия представители Scuderi Group говорили о том, что серийный выпуск агрегата — вопрос ближайших лет. И что якобы им заинтересовались автопроизводители, в числе которых Peugeot-Citroen и Honda. Но на данный момент ситуация не изменилась.

Кстати, такой тип двигателя получил название SCC, Split-Cycle Combustion, с разделенным циклом. По правде говоря, это не изобретение Скудери. Теоретическое обоснование подобной работы появилось еще 100 лет назад, даже что-то выпускалось. В современности получило вот такое продолжение. Причем не единственное. Различные компании разрабатывали SCC-моторы с разнообразным расположением цилиндров. К Split-Cycle нужно отнести и разработку Джона Заджака, в которой между цилиндрами также «разделение труда», однако горение топливовоздушной смеси происходит в отдельной емкости, в выделенной камере сгорания.

Сообщается, что за счет медленного сгорания смеси и меньшей температуры выхлоп этого дизеля чище и якобы вовсе лишен окислов азота.

Кое-кто считает, что не до конца исчерпан потенциал двухтактного двигателя. Как известно, в активе у него высокая мощность, в пассиве — чистота выхлопа. Так, мотор американской компании Grail Engine Technologies при одном цилиндре и объеме в литр развивает 200 л.с. и 250 Нм. Двигатель Lotus Omnivore вполовину меньше — 500 «кубиков». Зато буквально напичкан современными технологиями — непосредственный впрыск с двумя форсунками, изменяемая от 10:1 до 40:1 степень сжатия, а за изменения фаз газораспределения отвечает клапан в выпускном тракте.

Omnivore всеядный (название именно так и переводится) — может работать на любом топливе. Отвечает за такую способность принцип воспламенения — HCCI, или Homogeneous Charge Compression Ignition, воспламенение гомогенной (однородной) смеси от сжатия. То есть так, как на дизеле, однако с работой на бензине. HCCI был случайно открыт в 70-х годах и не мог не привлечь внимание. Оказалось, что при определенных условиях (росте давления) поджигание смеси может происходить без участия свечи. Более того, в камере сгорания возникает много очагов воспламенения, смесь горит быстро, при температуре ниже, чем при искровом зажигании, в итоге сгорает почти полностью. Что характерно, открыт процесс был именно на двухтактном моторе. Тем не менее через более чем 40 лет, кажется, найдет свое применение на обычном бензиновом ДВС.

От свечей и от сжатия. Пока…

Мы, конечно, о Mazda. Ведь в какой-то момент стало ясно, что все эти игры со степенью сжатия, а ранее с циклами (кто помнит, фирма выпускала моторы, работающие по циклу Миллера), не могут не привести к чему-то большему. Во всяком случае ведут… К HCCI!

Да, пока воспламенения бензина только от сжатия у них не выходит — по крайней мере серийно. Но вот вам Skyactiv-X, следующее за Skyactive-G поколение моторов, которое должно появиться в 2019 году. Работает по принципу, названному в Mazda SPCCI, или Spark Plug Controlled Compression Ignition, свечи зажигания, контролирующие воспламенение от сжатия.

Свечи зажигания еще есть. Степень сжатия увеличена с 14:1 до 15:1 — как раз-таки для того, чтобы на определенных режимах давление в камерах сгорания «помогало» искре «раздувать пламя». Работает это следующим образом: под большим давлением (до 1000 бар, хотя обычно у бензинового direct injection давление раз в 10 меньше) в камеру сгорания впрыскивается несколько порций бензина. Они перемешиваются с воздухом и поджигаются от искры — в районе электродов свечи. Эта вспышка увеличивает давление в камере, за счет чего происходит самостоятельное и одновременное воспламенение смеси по всему объему. Как вы понимаете, это лишь промежуточный этап. В Mazda все же собираются на следующей генерации своих «четверок» Skyactiv добиться «безыскрового зажигания». И уже сейчас говорят где-то о 15% экономии топлива и снижении вредных выбросов. При переходе на HCCI снижение того и другого должно достигнуть 30%. А недавно фирма, подобно Mercedes и Audi, сообщила, что в рамках единой системы наддува будет использовать турбины на газах и «электрораздув».

Кстати, 10 лет назад о создании HCCI-двигателя заявлял и Mercedes. 1,8-литровая «четверка» имела двойной турбонаддув, изменяемую степень сжатия и развивала 238 л.с. и 400 Нм при заявленном расходе топлива в 6 л/100 км. Правда, других подробностей немцы не раскрывали и как-то по-тихому свернули проект. Во всяком случае новой информации о нем нет. Теперь-то понятно, что мерседесовцы двинулись по иному пути.

А куда пойдет ДВС? Точно в ближайшее время не на свалку истории! Даже не беря в расчет разную «экзотику» (которая существовала все время развития автомобилестроения, но никогда не делала погоды), двигатель внутреннего сгорания не просто имеет возможности для улучшения характеристик — какое-то время будет успешно вписываться в новые реалии благодаря электрификации и совместной работе со стартер-генераторами, системами, запасающими энергию, в рамках гибридных установок. И все-таки очень хочется, чтобы у маздовцев все получилось. Не с ротором, так с HCCI. Согласитесь, подобная работа от небольшой, в сущности, фирмы вызывает уважение и по справедливости должна, обязана закончиться удачно.

Источник: drom.ru

Похожие записи

Будущее без двигателей внутреннего сгорания близится все быстрее

В Великобритании решили запретить продажу новых бензиновых и дизельных машин на восемь лет раньше запланированного, в 2032 году. А раньше всех откажется от двигателей внутреннего сгорания Австрия — как ожидается, уже через два года

Фото: Simon Dawson/Reuters

В Лондоне передумали запрещать продажу бензиновых автомобилей с 2040 года — там решили сделать это на восемь лет раньше. В России к перспективе электрификации личного транспорта принято относиться снисходительно: мол, просторы, никакой инфраструктуры и все такое.

Ну, планировала Великобритания запретить продажу бензиновых и дизельных авто к 2040 году — дотуда еще три дня лесом, как от большинства населенных пунктов в России до ближайшей заправки. Но британцы настроены серьезно, комментирует в интервью Daily Mail министр окружающей среды Британии Майкл Гоув:

Какой резон Лондону торопиться с реформой, это пиар на «зеленой» волне? На самом деле нет. Комитет Вестминстера по бизнесу, энергетике и индустрии беспокоится, что Великобритания безнадежно отстанет от других западных стран на ниве электрификации транспорта и останется, как там выразились, на пассажирском сиденье прогресса. Поэтому нужно срочно перенести запрет на продажу новых бензиновых и дизельных авто на 2032 год.

Постойте, как это отстанет? Разве много кто планирует запретить двигатели внутреннего сгорания раньше? На самом деле сдвиг неизбежен и уже начался, рассказывает Deutsche Welle автоэксперт банка Bankhaus Metzel Юрген Пайпер:

Если говорить о конкретных датах запрета двигателей внутреннего сгорания, их уже назвали уже более десятка государств. Среди них как западные страны — Франция, Германия, так и азиатские гиганты — Индия и Китай, в большинстве случаев речь идет о 2030-х годах. Впереди планеты всей Австрия: там продажу новых машин с двигателями внутреннего сгорания планируют прекратить уже в 2020-м. Аргументация всегда одна: альтернативы уже имеются, таргеты по снижению уровня загрязнения воздуха еще очень далеки, а здоровье на дороге не валяется. С Reuters говорит транспортный эксперт Greenpeace Никлас Шинерл:

Тем, кто не верит в электрификацию личного транспорта и наклеивает на бампер своего гигантского джипа стикеры Fuck Fuel Economy, что довольно цинично, учитывая научную доказанность увеличения числа смертоносных стихийных бедствий из-за вызванного человеком изменения климата, таким людям лучше поскорее съездить в Гамбург. Передвижение на автомобилях с двигателями внутреннего сгорания там запретили уже в этом году, но пока только для старых дизельных моделей и лишь на двух улицах в центре города.

Впрочем, экологи повсеместный переход на электрокары не поддерживают. Дело в том, что этот транспорт не такой уж и экологичный. Для производства электроэнергии во многих странах продолжают жечь уголь и мазут.

Добавить BFM.ru в ваши источники новостей?

Двигатель внутреннего сгорания: будущее есть!

Очевидно, что двигатель внутреннего сгорания недостаточно экономичен и по сути имеет невысокий КПД. Это заставляет ученых искать альтернативы — в частности, создавать доступный электрический или водородный транспорт. Однако последние разработки показывают, что ДВС можно сделать по-настоящему эффективным. За счет чего это осуществимо и что мешает применять такие технологии на практике уже сейчас?

Двигатель внутреннего сгорания без преувеличения раскрутил мотор научно-технического прогресса. Автомобильный транспорт является важнейшим средством перевозки пассажиров и грузов. В США сегодня на 1000 человек приходится почти 800 автомобилей, а к 2020 году в России этот показатель составит около 350 машин на тысячу населения.

Подавляющее большинство из более миллиарда автомобилей на планете все еще используют двигатель внутреннего сгорания (ДВС), изобретенный в XIX веке. Несмотря на все технологические ухищрения и «умную» электронику, коэффициент полезного действия современных бензиновых двигателей все еще «топчется» вокруг отметки в 30%. Самые экономичные дизельные ДВС имеют КПД в 50%, то есть даже они половину топлива выбрасывают в виде вредных веществ в атмосферу.

Естественно, говорить об экономичности ДВС не приходится, особенно если учесть, что современные автомобили сжигают по 10-20 литров горючего на 100 км пути. Не удивительно, что ученые по всему миру пытаются создать доступные электрические и водородные авто. Однако и концепция двигателя внутреннего сгорания не исчерпала потенциал модернизации. Благодаря последним достижениям в области электроники и материалов, появилась возможность создать по-настоящему эффективный ДВС.

Экомотор

Инженеры компании EcoMotors International творчески переработали конструкцию традиционного ДВС. Он сохранил поршни, шатуны, коленвал и маховик, однако новый двигатель на 15-20% эффективнее, кроме того намного легче и дешевле в производстве. При этом двигатель может работать на нескольких видах топлива, включая бензин, дизель и этанол.

В целом двигатель EcoMotors имеет элегантную простую конструкцию в которой на 50 меньше деталей чем в обычном мотореВ целом двигатель EcoMotors имеет элегантную простую конструкцию в которой на 50 меньше деталей чем в обычном моторе

В целом двигатель EcoMotors имеет элегантную простую конструкцию, в которой на 50% меньше деталей, чем в обычном моторе

Добиться этого удалось с помощью использования оппозитной конструкции двигателя, в которой камеру сгорания образуют два поршня, двигающихся навстречу друг другу. При этом двигатель двухтактный и состоит из двух модулей по 4 поршня в каждом, соединенных специальной муфтой с электронным управлением. Двигателем полностью управляет электроника, благодаря чему удалось добиться высокого КПД и минимального расхода топлива. Например, в пробке и других случаях, когда полная мощность двигателя не нужна, работает только один модуль из двух, что уменьшает расход топлива и шум.

Также мотор оснащен управляемым электроникой турбокомпрессором, который утилизирует энергию выхлопных газов и вырабатывает электроэнергию. В целом двигатель EcoMotors имеет элегантную простую конструкцию, в которой на 50% меньше деталей, чем в обычном моторе. У него нет блока головки цилиндров, он сделан из обычных материалов и издает меньше шума и вибраций. При этом двигатель получился очень легким: на 1 кг веса он выдает мощность больше 1 л.с (на практике он приблизительно в 2 раза легче традиционного двигателя такой же мощности). Более того, изделие EcoMotors легко масштабируется: достаточно добавить несколько модулей и двигатель малолитражки превращается в мотор мощного грузовика.

Опытный двигатель EcoMotors EM100 при размерах 57,9х 104,9х47 см весит 134 кг и выдает мощность 325 л.с. при 3,500 оборотах в минуту (на дизтопливе), диаметр цилиндров — 100 мм. Расход топлива у пятиместного автомобиля с мотором EcoMotors планируется чрезвычайно низкий — на уровне 3-4 л на 100 км.

Экономия во всем

Компания Achates Power поставила себе цель разработать ДВС с расходом топлива 3-4,5 л на 100 км для автомобиля размером с Ford Fiesta. Пока их экспериментальный дизельный двигатель демонстрирует гораздо больший аппетит, но разработчики надеются уменьшить расход. Однако главное в данном моторе — исключительно простая конструкция и низкая себестоимость. Согласимся, что экономия на топливе мало чего стоит, если она обошлась ценой многократного удорожания мотора.

Двигатель Achates Power имеет предельно простую конструкциюДвигатель Achates Power имеет предельно простую конструкцию

Двигатель Achates Power имеет предельно простую конструкцию

Двигатель Achates Power имеет предельно простую конструкцию. Это двухтактный оппозитный дизельный мотор, в котором два поршня движутся навстречу друг другу, образуя камеру сгорания. Таким образом отпадает необходимость в головке блока цилиндров и сложном газораспределительном механизме. Большинство деталей мотора изготавливаются с помощью несложных производственных процессов и не требуют дорогих материалов. В целом, двигатель содержит намного меньше деталей и металла, чем обычный.

В настоящее время на испытаниях мотор Achates Power демонстрирует экономичность на 21% большую, чем лучшие «традиционные» дизельные двигатели. Более того, он имеет модульную конструкцию, большую удельную мощность (соотношение вес/л.с.). Также благодаря особой форме верхней части поршня создается вихревой поток особой формы, обеспечивающий отличное перемешивание топливовоздушной смеси, эффективный теплоотвод и уменьшающий время сгорания. В результате двигатель не только соответствует военным спецификациям армии США, но и превосходит по характеристикам двигатели, которые сегодня устанавливаются на боевую технику.

Простой способ

Процесс сгорания TSCiTM использует непосредственный впрыск бензина в виде сверхкритической жидкости и специальную систему зажиганияПроцесс сгорания TSCiTM использует непосредственный впрыск бензина в виде сверхкритической жидкости и специальную систему зажигания

Процесс сгорания TSCiTM использует непосредственный впрыск бензина в виде сверхкритической жидкости и специальную систему зажигания

Высокотехнологичная система впрыска TSCiTM не требует радикальных переделок двигатели и, по сути, представляет собой набор инжекторов и специальный топливный насос.

Процесс сгорания TSCiTM использует непосредственный впрыск бензина
в виде сверхкритической жидкости и специальную систему зажигания

Сверхкритическая жидкость — это состояние вещества при определенной температуре и давлении, когда оно не является ни твердым телом, ни жидкостью, ни газом. В таком состоянии вещество приобретает интересные свойства, например, не имеет поверхностного натяжения, и образует мелкодисперсные частицы в процессе фазового перехода. Кроме того сверхкритическая жидкость обладает способностью быстрого переноса массы. Все эти свойства крайне полезны в двигателе внутреннего сгорания, в частности, сверхкритическое топливо быстро смешивается, не имеет крупных капель, быстро сгорает с оптимальным тепловыделением и высокой эффективностью цикла.

Электронный клапан

Компания Grail Engine Technologies разработала уникальный двухтактный двигатель с очень заманчивыми характеристиками. Так, при потреблении 3-4 литров на «сотню», двигатель выдает 200 л.с. Мотор с мощностью 100 л.с. весит менее 20 кг, а мощностью 5 л.с. — всего 11 кг! При этом Grail Engine, в отличие от обычных двухтактных моторов, не загрязняет топливо маслом из картера, а значит, соответствует самым жестким экологическим стандартам.

Секрет выдающихся характеристик кроется в схеме работы Grail EngineСекрет выдающихся характеристик кроется в схеме работы Grail Engine

Секрет выдающихся характеристик кроется в схеме работы Grail Engine

Сам двигатель состоит из простых деталей, в основном изготавливаемых способом отливки. Секрет выдающихся характеристик кроется в схеме работы Grail Engine. Во время движения поршня вверх, внизу создается отрицательное давления воздуха и через специальный углепластиковый клапан воздух проникает в камеру сгорания. В определенной точке движения поршня начинает подаваться топливо, затем в верхней мертвой точке с помощью трех обычных электросвечей происходит зажигание топливно-воздушной смеси, клапан в поршне закрывается. Поршень идет вниз, цилиндр заполняется выхлопными газами. По достижении нижней мертвой точки поршень опять начинает движение вверх, поток воздуха вентилирует камеру сгорания, выталкивая выхлопные газы, цикл работы повторяется.

Компактный и мощный Grail Engine идеально подходит для гибридных автомобилей, где бензиновый мотор вырабатывает электроэнергию, а электромоторы крутят колеса. В такой машине Grail Engine будет работать в оптимальном режиме без резких скачков мощности, что существенно повысит его долговечность, снизит шум и расход топлива. При этом модульная конструкция позволяет присоединять к общему коленвалу два и более одноцилиндровых Grail Engine, что дает возможность создания рядных двигателей различной мощности.

Новые модели авто появляются каждый год — но по каким-то причинам на них не стоят вышеописанные экономичные и простые двигатели. Действительно, двигателями новой конструкции интересуются все: от вездесущего инвестора Билла Гейтса до Пентагона. Однако автопроизводители не спешат устанавливать новинки на свои машины. Видимо, все дело в том, что крупные автоконцерны сами производят двигатели и, естественно, не желают делиться прибылью со сторонними разработчиками. Но в любом случае жесткие экологические стандарты и электромобили заставят автопроизводителей внедрять новые технологии, гораздо более важные для здоровья людей и всей планеты, чем мультимедийные системы и дизайнерские изыски.

по материалам сайта (Михаил Левкевич — Rnd.cnews.ru)

Отправить ответ

avatar
  Подписаться  
Уведомление о