Будущее ДВС: гибриды или усовершенствование двигателей?

Будущее ДВС: гибриды или усовершенствование двигателей?

Ограничения по вредным выбросам давят на кошелек европейских автопроизводителей. Некоторые собираются решать проблему 'экологического' соответствия с помощью гибридных модификаций. В данной статье рассмотрим способы повышения эффективности традиционных двигателей и есть ли у них будущее?

Гибриды - будущее двигателестроения

Автомобильная Европа отстает от японских конкурентов по части внедрения новых технологий, и ситуация с гибридными силовыми агрегатами - тому подтверждение. В свете постоянного ужесточения экологических требований эта проблема приобретает экономический оттенок, который в самом ближайшем будущем обещает стать доминирующим.

Задача гибридов — это не улучшение экологических характеристик автомобилей (это лишь «побочный» эффект), а сохранение конвейерного производства ДВС с кривошипно-шатунным механизмом. Причем постоянные изменения норм выбросов можно расценивать как катализатор этого процесса.

Действительно, суммы, которые нужно потратить на повышение эффективности работы ДВС и внедрение электромотора в привод, несоизмеримы. Разработка конструкций с изменяемой степенью сжатия двигателя или регулировкой фаз газораспределения без использования распредвалов уже долгое время находятся в начальной стадии. Занимаются этим небольшие инжиниринговые фирмы или очень небедные производители.

Двигатели с изменяемой степенью сжатия

Если автомобильная Европа пытается усовершенствовать свои гибридные двигатели, то японские производители пошли другим путем, а именно улучшили эффективность традиционного двигателя. Они это сделали за счет поднятия степени сжатия до 14:1, что ранее не удавалось ни одному из производителей и было просто невозможно. Они заявляют, что с данной степенью сжатия могут работать, как бензиновый, так и дизельный двигатели, причем на обычном 95-ом бензине. Как это возможно?

Один из важных недостатков бензиновых моторов с искровым зажиганием — относительно невысокая степень сжатия. Если ее поднять с нынешних 10:1 до 12,5:1, то эффективность использования теплоты сгоревшего топлива возрастет процентов на шесть. Но чем сильнее мы сжимаем поршнем воздух с парами бензина, тем выше риск взрывного неконтролируемого самовоспламенения смеси — это детонация, страшный враг двигателя: ударные нагрузки, перегрев, разрушение поршней и колец. Не зря степень сжатия бензиновых агрегатов редко поднимается выше 11:1.

На самом деле все дело в снижении средней температуры цикла. Чем «холоднее» горючая смесь в камере сгорания, тем сильнее ее можно сжать без риска возникновения детонации. Думаете, японцы решили охлаждать всасываемый воздух? Нет, они занялись системой выпуска.

Этот прием давно известен по гоночным моторам — «настроенные» выпускные каналы по схеме 4-2-1, в которых порции выхлопных газов из всех четырех цилиндров не «толкаются» друг с другом, а строго поочередно вылетают в атмосферу. При чем здесь температура цикла? «Настроенный» выпуск за счет газодинамического наддува улучшает продувку цилиндров — в них остается меньше горячих отработавших газов, которые неизбежно подмешиваются к свежему воздуху на такте впуска и поднимают температуру в конце такта сжатия.

Как уверяют, если долю выхлопа снизить с обычных 8% до 4%, то степень сжатия можно безболезненно поднять на три единицы. А за счет охлаждения воздуха при распыле бензина прямо в цилиндр — сжатие можно увеличить еще на единичку.

Чтобы реализовать продвинутый газообмен, пришлось раскошелиться на фазовращатели на обоих распредвалах — и впускном, и выпускном. А вдобавок с помощью компьютерного моделирования придумать еще кучу всяких ухищрений. К примеру, чтобы улучшить «термоизоляцию» камеры сгорания, диаметр цилиндра пришлось уменьшить с нынешних 87,5 мм до 83,5 мм, соответственно увеличив ход поршня.

Длинноходность способствует увеличению крутящего момента на низких оборотах, вдобавок тягу «на низах» улучшают непосредственный впрыск и увеличение степени сжатия — и возникает эффект, который именуют downspeeding: в противовес «даунсайзингу». Мол, мотор настолько хорошо тянет «внизу», что среднестатистические обороты при езде снижаются на 15% — и это дает эффект по части снижения расхода бензина и выбросов СО₂ по сравнению с турбомотором с уменьшенным до 1,4 л рабочим объемом.

Дизели с изменяемой степенью сжатия

В двигателе, построенном Рудольфом Дизелем 120 лет тому назад, впрыск топлива с самого начала был непосредственным — топливо, распыленное в сжатом воздухе, самовоспламеняется от нагрева. Для этого степень сжатия должна быть в полтора-два раза выше, чем у бензиновых моторов с искровым зажиганием.

У атмосферных дизелей она превышает 20:1, у двигателей с турбонаддувом лежит в пределах 16—18:1. Однако инженеры решили добиться беспрецедентно низких для легкового дизелестроения 14:1.

Зачем? Как уверяют японцы, в обычных турбодизелях давление и температура в цилиндрах в конце такта сжатия настолько велики, что впрыскиваемая струя дизтоплива просто не успевает равномерно перемешаться с воздухом. Из-за неполного сгорания растет содержание в выхлопе ядовитых окислов азота и частичек сажи, которые надо дожигать и фильтровать.