Дизель с четырьмя турбинами, первый в мире мотор с электрическим нагнетателем и революционный агрегат, способный вдохнуть в ДВС новую жизнь: «Мотор» представляет обзор силовых установок с самыми нестандартными решениями, показанными за последние несколько месяцев.
С начала 2016 года нам показали впечатляющие своей конструкцией дизели для флагманской модели BMW и «заряженной» версии Audi Q7, малолитражный, но очень «умный» бензиновый мотор Volkswagen, «восьмерку» для новой «Панамеры» и необычный продукт совместной работы Koenigsegg и китайцев из фирмы Qoros.
Что общего у «семерки» BMW и суперкара Bugatti Veyron? Количество турбин в моторе! Этой весной баварский флагман получил новый дизельный агрегат: три литра рабочего объема, шесть цилиндров и четыре нагнетателя. Четыре! Это не только первый в истории серийный двигатель «на тяжелом топливе» с таким количеством турбин, но и мощнейшая дизельная «шестерка» в мире.
Двигатель развивает 400 лошадиных сил 760 Нм крутящего момента - на 19 сил и 20 Нм больше прежнего агрегата с тремя компрессорами. Мотор, работающий в паре с восьмиступенчатым «автоматом», позволяет «семерке» ускоряться с места до ста километров в час за 4,6 секунды (длиннобазный седан проделывает то же самое упражнение за 4,7 секунды) - на 0,3 секунды быстрее предшественника. Но наверняка в конструкцию этого мотора заложен куда больший потенциал.
Система многоступенчатого наддува этого мотора состоит из двух малоинерционных нагнетателей высокого давления, установленных в едином блоке, а также двух компактных компрессоров низкого давления. Все турбины включаются в работу последовательно, причем второй компрессор высокого давления задействуется только при резком ускорении и только на оборотах коленвала выше 2500 в минуту.
Новый агрегат получился чуть легче и тяговитее: первые 450 Нм крутящего момента доступны уже с 1000 оборотов в минуту, а на полку в 760 Нм мотор выходит в диапазоне от 2000 до 3000 оборотов в минуту.
Дополнительная турбина низкого давления позволила не только увеличить отдачу мотора, но и повысить топливную экономию на 11 процентов - до 5,7-5,9 литра на сто километров пробега.
Концерн Volkswagen на симпозиуме в Вене представил новую 1,5-литровую «турбочетверку», которая заменит нынешний наддувный агрегат объемом 1,4 литра. Главное новшество этого двигателя - турбина с изменяемой геометрией крыльчатки, которая впервые в мире появится на массовых моделях с ДВС с искровым зажиганием.
Компрессоры с изменяемой геометрией компании Peugeot, Citroen, Honda и Chrysler применяли еще в конце 1980-х годов, однако сейчас эта технология используется только на спорт- и суперкарах, вроде Porsche 911 Turbo, а также на новых турбированных «четверках» моделей 718 Cayman и 718 Boxster. Ну и в дизельных агрегатах, конечно же.
Особенность такого турбонагнетателя - кольцо со специальными направляющими лепестками, которые способны менять свой угол для оптимизации мощности турбины при конкретных нагрузках. Возможность изменения сечения увеличивает отдачу, улучшает отклик мотора и снижает уровень потребления топлива. Максимальный крутящий момент достигается при меньших оборотах и доступен в более широком диапазоне по сравнению с моторами с традиционным нагнетателем.
Одной из первых моделей, получивших двигатель с турбиной с изменяемой геометрией крыльчатки, стал мелкосериный хэтчбек Shelby CSX–VNT 1989 года
Новый 1,5-литровый агрегат будет предлагаться в двух вариантах мощности: 131 и 150 лошадиных сил. Пиковый крутящий момент базового мотора в 200 Нм достигается уже при 1300 оборотах в минуту и доступен вплоть до 4500 оборотов.
Еще одно новшество - этот мотор будет работать по циклу Миллера , в котором впускной клапан остается открытым еще на какое-то время в начале цикла сжатия и закрывается чуть позже, чем на стандартных двигателях. В результате геометрическая степень сжатия увеличилась с 10,5:1 у прежнего двигателя до 12,5:1.
Помимо этого, новая «четверка» получила систему деактивации цилиндров, которая отключает два из них при малых нагрузках, усовершенствованную систему впрыска топлива с повышенным до 350 бар давлением, полностью новую головку блока цилиндров и электронноуправляемую систему охлаждения.
«Дизельгейт» еще не успел отгреметь, а у Audi появилась новая 435-сильная четырехлитровая «восьмерка» с тройным наддувом, которая дебютировала на «заряженном» внедорожнике SQ7. Две традиционные турбины тут работают в паре с компрессором с электрическим приводом. Подобную схему применили на серийном автомобиле впервые.
Компрессор раскручивается 7-киловаттным (9,5 лошадиные силы) электрическим мотором, который разгоняет ротор до 70 тысяч оборотов всего за четверть секунды, позволяя избежать турбоямы. Электродвигатель запитан от отдельной электрической системы с напряжением 48 вольт и блоком литий-ионных аккумуляторов, расположенных под багажником «заряженного» кроссовера.
Сам четырехлитровый мотор V8 - тоже новый. Турбокомпрессоры тут расположены в развале блока цилиндров и работают по двухступенчатой схеме. На малых и средних оборотах система valvelift открывает один из двух выпускных клапанов в каждом цилиндре, раскручивая первую турбину. По мере увеличения нагрузки (2200-2700 оборотов в минуту) электроника открывает второй выпускной клапан, активизируется другой компрессор. Электрический нагнетатель работает в самом «низу».
В результате, четырехлитровый агрегат развивает 435 лошадиных сил, а максимальный крутящий момент в 900 Нм доступен в диапазоне 1000-3250 оборотов в минуту. Мотор, работающий вместе с восьмиступенчатым «автоматом», позволяет семиместному внедорожнику набирать «сотню» за 4,8 секунды. Максимальная скорость ограничена электроникой 250 километрами в час.
Новый мотор Audi в дальнейшем появится и на других моделях концерна Volkswagen, включая новую Porsche Panamera и Cayenne, а также дизельную модификацию Bentley Bentayga.
Еще один «глобальный» двигатель, который сначала дебютирует на Porsche Panamera Turbo и Cayenne Turbo следующего поколения, а впоследствии доберется и до моделей Audi, Bentley и даже Lamborghini. Это новейший четырехлитровый твин-турбо мотор V8, который придет на смену нынешней 4,8-литровой «турбо-восьмерке».
Уменьшение рабочего объема, помимо унификации с другими силовыми установками концерна Volkswagen, позволит флагманским моделям Porsche - Panamera Turbo и Cayenne Turbo - обойти повышенный налог на автомобили с моторами объемом свыше четырех литров, действующий в Китае.
В базовой версии новый двигатель будет развивать 550 лошадиных сил и 770 Нм крутящего момента, что на 30 сил и 70 Нм больше предыдущего агрегата 4.8. При этом в Porsche поговаривают, что на версиях Panamera Turbo S и Cayenne Turbo S он будет выдавать свыше 600 сил и 810 Нм.
Помимо высокой отдачи, новый мотор будет заметно эффективнее предыдущего. А значит, экономичнее. Ведь он получит систему деактивации половины цилиндров при малых нагрузках (в диапазоне от 950 до 3500 оборотов в минуту), что позволит на 30 процентов улучшить топливную экономию.
Твин-турбо «восьмерка» унифицирована с трехлитровым турбомотором V6, разработанным Audi, и создавалась с учетом ее применения как на модульной платформе MLB, так и на шасси MSB. Первая архитектура предназначена для машин с передним и полным приводом (читай, Audi A4, A5, A6 и производные, включая кроссоверы), а вторая - с приводом на задние или на все колеса (используется на больших моделях Porsche и Bentley).
Поэтому, помимо новых Panamera и Cayenne, четырехлитровый мотор пополнит линейку двигателей Audi A6, A8 и Q7 следующих поколений, а также двух моделей Bentley - Bentayga и Continental. Наконец, именно этим мотором, скорее всего, будет оснащаться и кроссовер Lamborghini Urus, который должен отнять у «Бентейги» звание «быстрейшего серийного внедорожника в мире».
Л етом 2017 года научно-техническое сообщество облетела новость – молодой учёный из Екатеринбурга победил в общероссийском конкурсе инновационных проектов в области энергетики. Конкурс называется «Энергия прорыва», к участию допускаются учёные не старше 45 лет, и Леонид Плотников, доцент «Уральского федерального университета имени первого президента России Б.Н. Ельцина» (УрФУ), удостоился в нём приза в 1 000 000 рублей.
Сообщалось, что Леонид разработал четыре оригинальных технических решения и получил семь патентов для систем впуска и выпуска ДВС, как турбированных, так и атмосферных. В частности, доработка впускной системы турбомотора «по методу Плотникова» способна исключить перегрев, снизить шумность и количество вредных выбросов. А модернизация выпускной системы турбированного ДВС на 2% повышает КПД и на 1,5% снижает удельный расход топлива. В итоге мотор становится более экологичным, стабильным, мощным и надёжным.
Действительно ли всё это так? В чём суть предложений учёного? Нам удалось побеседовать с победителем конкурса и всё разузнать. Из всех оригинальных технических решений, разработанных Плотниковым, мы остановились как раз на обозначенных выше двух: доработанных системах впуска и выпуска турбированных моторов. Возможно, стиль изложения поначалу покажется вам сложным для восприятия, но читайте вдумчиво, и в конце мы доберёмся до сути.
Проблемы и задачи
Авторство описанных ниже разработок принадлежит группе учёных УрФУ, в которую входят доктор технических наук, профессор Бродов Ю.М., доктор физико-математических наук, профессор Жилкин Б.П. и кандидат технических наук, доцент Плотников Л.В. Работа именно этой группы удостоилась гранта в миллион рублей. В инженерной проработке предлагаемых технических решений им помогали специалисты ООО «Уральский дизель-моторный завод», а именно, начальник отдела, кандидат технических наук Шестаков Д.С. и заместитель главного конструктора, кандидат технических наук Григорьев Н.И.
Одним из ключевых параметров их исследования стала теплоотдача, идущая от потока газа в стенки впускного или выпускного трубопровода. Чем теплоотдача ниже, тем меньше термические напряжения, выше надёжность и производительность системы в целом. Для оценки интенсивности теплоотдачи используют параметр, который называется локальным коэффициентом теплоотдачи (он обозначается как αх), и задача исследователей состояла в том, чтобы найти пути уменьшения этого коэффициента.
Рис. 1. Изменение локального (lх = 150 мм) коэффициента теплоотдачи αх (1) и скорости потока воздуха wх (2) во времени τ за свободным компрессором турбокомпрессора (далее – ТК) при гладком круглом трубопроводе и разных частотах вращения ротора ТК: а) nтк = 35 000 мин-1; б) nтк = 46 000 мин-1
Вопрос для современного двигателестроения серьёзный, поскольку газовоздушные тракты входят в перечень наиболее термонагруженных элементов современных ДВС, и особенно остро задача снижения теплоотдачи в впускном и выпускном трактах стоит для турбированных двигателей. Ведь в турбомоторах, по сравнению с атмосферниками, повышены давление и температура на впуске, увеличена средняя температура цикла, выше пульсация газа, которая вызывает термомеханические напряжения. Термонагруженность ведёт к усталости деталей, снижает надёжность и срок службы элементов двигателя, а также приводит к неоптимальным условиям сгорания топлива в цилиндрах и падению мощности.
Учёные считают, что термическую напряженность турбодвижка можно снизить, и тут, как говорится, есть нюанс. Обычно для турбокомпрессора считаются важными две его характеристики – давление наддува и расход воздуха, а сам узел в расчётах принимается статичным элементом. Но на самом деле, отмечают исследователи, после установки турбокомпрессора существенно изменяются тепломеханические характеристики потока газа. Поэтому прежде чем изучать то, как меняется αх на впуске и выпуске, надо исследовать сам поток газа закомпрессором. Сначала – без учёта поршневой части двигателя (что называется, за свободным компрессором, см. рис. 1), а потом – вместе с ней.
Была разработана и создана автоматизированная система сбора и обработки экспериментальных данных – с пары датчиков снимались и обрабатывались значения скорости потока газа wх и локального коэффициента теплоотдачи αх. Кроме того, была собрана одноцилиндровая модель двигателя на базе мотора ВАЗ-11113 с турбокомпрессором ТКР-6.
Рис. 2. Зависимость локального (lх = 150 мм) коэффициента теплоотдачи αх от угла поворота коленчатого вала φ во впускном трубопроводе поршневого ДВС с наддувом при разных частотах вращения коленчатого вала и разных частотах вращения ротора ТК: а) n = 1 500 мин-1; б) n = 3 000 мин-1, 1 - n = 35 000 мин-1; 2 - nтк = 42 000 мин-1; 3 - nтк = 46 000 мин-1
Проведённые исследования показали, что турбокомпрессор – мощнейший источник турбулентности, которая влияет на тепломеханические характеристики потока воздуха (см. рис. 2). Кроме того, исследователи установили, что сама по себе установка турбокомпрессора повышает αх на впуске двигателя примерно на 30% - отчасти из-за того, что воздух после компрессора просто значительно горячее, чем на впуске атмосферного мотора. Была замерена и теплоотдача на выпуске мотора с установленным турбокомпрессором, и оказалось, что чем выше избыточное давление, тем менее интенсивно происходит теплоотдача.
Рис. 3. Схема впускной системы двигателя с наддувом с возможностью сброса части нагнетаемого воздуха: 1 - впускной коллектор; 2 - соединительный патрубок; 3 - соединительные элементы; 4 - компрессор ТК; 5 - электронный блок управления двигателем; 6 - электропневмоклапан].
В сумме получается, что для снижения термонагруженности необхожимо следующее: во впускном тракте нужно уменьшать турбулентность и пульсацию воздуха, а на выпуске – создавать дополнительное давление или разрежение, разгоняя поток – это снизит теплоотдачу, а кроме того, положительно скажется на очистке цилиндров от отработанных газов.
Все эти вроде бы очевидные вещи нуждались в детальных замерах и в анализе, которого никто ранее не делал. Именно полученные цифры позволили выработать меры, которые в будущем способны если не произвести революцию, то уж точно вдохнуть, в прямом смысле слова, новую жизнь во всю отрасль двигателестроения.
Рис. 4. Зависимость локального (lх = 150 мм) коэффициента теплоотдачи αх от угла поворота коленчатого вала φ во впускном трубопроводе поршневого ДВС с наддувом (nтк = 35 000 мин-1) при частоте вращения коленчатого вала n = 3 000 мин-1. Доля сброса воздуха: 1 - G1 = 0,04; 2 - G2 = 0,07; 3 - G3 = 0,12].
Сброс избытка воздуха на впуске
Во-первых, исследователи предложили конструкцию, позволяющую стабилизировать поток воздуха на впуске (см. рис. 3). Электропневмоклапан, врезанный во впускной тракт после турбины и в определённые моменты сбрасывающий часть сжатого турбокомпрессором воздуха, стабилизирует поток– уменьшает пульсацию скорости и давления. В итоге это должно привести к снижению аэродинамического шума и термических напряжений во впускном тракте.
А сколько же нужно сбросить, чтобы система эффективно работала, не ослабляя значительно эффекта турбонаддува? На рисунках 4 и 5 мы видим результаты проведённых замеров: как показывают исследования, оптимальная доля сбрасываемого воздуха G лежит в диапазоне от 7 до 12% – такие значения снижают теплоотдачу (а значит – и термонагруженность) во впускном тракте двигателя до 30%, то есть, приводят её к значениям, характерным для атмосферных моторов. Дальше увеличивать долю сброса смысла нет – эффекта это уже не даёт.
Рис. 5. Сравнение зависимостей локального (lх = 150 мм, d = 30 мм) коэффициента теплоотдачи αх от угла поворота коленчатого вала φ во впускном трубопроводе поршневого ДВС с наддувом без сброса (1) и со сбросом части воздуха (2) при nтк = 35 000 мин-1 и n = 3 000 мин-1, доля сброса избыточного воздуха равна 12% от общего расхода].
Эжекция на выпуске
Ну а что же выпускная система? Как мы говорили выше, она в турбированном моторе тоже работает в условиях повышенных температур, а кроме того, выпуск всегда хочется сделать как можно более способствующим максимальной очистке цилиндров от отработавших газов. Традиционные методы решения этих задач уже исчерпаны, есть ли тут ещё какие-то резервы для улучшения? Оказывается, есть.
Бродов, Жилкин и Плотников утверждают, что улучшить газоочистку и надёжность выпускной системы можно путём создания в ней дополнительного разрежения, или эжекции. Эжекционный поток, по мнению разработчиков, так же, как и клапан на впуске, снижает пульсацию потока и увеличивает объёмный расход воздуха, что способствует лучшей очистке цилиндров и повышению мощности двигателя.
Рис. 6. Схема выпускной системы с эжектором: 1 – головка цилиндра с каналом; 2 – выпускной трубопровод; 3 – труба выхлопная; 4 – эжекционная трубка; 5 – электропневмоклапан; 6 – электронный блок управления].
Эжекция положительно влияет на теплоотдачу от выпускных газов к деталям выпускного тракта (см. рис. 7): с такой системой максимальные значения локального коэффициента теплоотдачи αхполучаются на 20% ниже, чем при традиционном выпуске – за исключением периода закрытия впускного клапана, тут интенсивность теплоотдачи, напротив, несколько выше. Но в целом теплоотдача всё равно меньше, и исследователи сделали предположение, что эжектор на выпуске турбомотора повысит его надёжность, так как снизит теплоотдачу от газов стенкам трубопровода, а сами газы будут охлаждаться эжекционным воздухом.
Рис. 7.Зависимости локального (lх = 140 мм) коэффициента теплоотдачи αх от угла поворота коленчатого вала φ в выпускной системе при избыточном давлении выпуска рb = 0,2 МПа и частоте вращения коленчатого вала n = 1 500 мин-1. Конфигурация выпускной системы: 1 - без эжекции; 2 - с эжекцией.]
А если объединить?..
Получив такие выводы на экспериментальной установке, учёные пошли дальше и применили полученные знания на реальном двигателе – в качестве одного из «подопытных» был выбран дизель 8ДМ-21ЛМ производства ООО «Уральский дизель-моторный завод».Такие моторы применяются в качестве стационарных энергоустановок. Кроме того, в работах использовался и «младший брат» 8-цилиндрового дизеля, 6ДМ-21ЛМ, также V-образный, но имеющий шесть цилиндров.
Рис. 8. Установка электромагнитного клапана для сброса части воздуха на дизеле 8ДМ-21ЛМ: 1 - клапан электромагнитный; 2 - впускной патрубок; 3 - кожух выпускного коллектора; 4 - турбокомпрессор.
На «младшем» моторе была реализована система эжекции на выпуске, логично и весьма остроумно объединённая с системой сброса давления на впуске, которую мы рассмотрели чуть ранее – ведь как было показано на рисунке 3, сбрасываемый воздух может использоваться для нужд двигателя. Как видим (рис. 9), над выпускным коллектором проложены трубки, в которые подаётся воздух, забранный со впуска – это то самое избыточное давление, создающее турбулентность после компрессора. Воздух из трубок «раздаётся» через систему электроклапанов, которые стоят сразу за выпускным окном каждого из шести цилиндров.
Рис. 9. Общий вид модернизированной выпускной системы двигателя 6ДМ-21ЛМ: 1 – выпускной трубопровод; 2 – турбокомпрессор; 3 – газоотводящий патрубок; 4 – система эжекции.
Такое эжекционное устройство создаёт дополнительное разрежение в выпускном коллекторе, что ведёт к выравниванию течения газов и ослаблению переходных процессов в так называемом переходном слое. Авторы исследования замерили скорость потока воздуха wх в зависимости от угла поворота коленчатого вала φ с применением эжекции на выпуске и без неё.
Из рисунка 10 видно, что при эжекции максимальная скорость потока выше, а после закрытия выпускного клапана она падает медленнее, чем в коллекторе без такой системы – получается своеобразный «эффект продувки». Авторы говорят, что результаты свидетельствуют о стабилизации потока и лучшей очистке цилиндров двигателя от отработавших газов.
Рис. 10. Зависимости местной (lx = 140 мм, d = 30 мм) скорости потока газа wх в выпускном трубопроводе с эжекцией (1) и традиционном трубопроводе (2) от угла поворота коленчатого вала φ при частоте вращения коленчатого вала n = 3000 мин-1 и начальном избыточном давлении pb = 2,0 бар.
Что в итоге
Итак, давайте по порядку. Во-первых, если из впускного коллектора турбомотора сбрасывать небольшую часть сжатого компрессором воздуха, можно снизить теплоотдачу от воздуха к стенкам коллектора до 30% и при этом сохранить массовый расход воздуха, поступающего в мотор, на нормальном уровне. Во-вторых, если применить эжекцию на выпуске, то теплоотдачу в выпускном коллекторе тоже можно существенно снизить – проведённые замеры дают величину около 15%, – а также улучшить газоочистку цилиндров.
Объединяя показанные научные находки для впускного и выпускного трактов в единую систему, мы получим комплексный эффект: забирая часть воздуха со впуска, передавая её на выпуск и точно синхронизировав эти импульсы по времени, система будет выравнивать и «успокаивать» процессы течения воздуха и отработавших газов. В результате мы должны получить менее термонагруженный, более надёжный и производительный по сравнению с обычным турбомотором двигатель.
Итак, результаты получены в лабораторных условиях, подтверждены математическим моделированием и аналитическими расчетами, после чего создан опытный образец, на котором проведены испытания и подтверждены положительные эффекты. Пока всё это реализовано в стенах УрФУ на большом стационарном турбодизеле (моторы такого типа используют также на тепловозах и судах), однако заложенные в конструкцию принципы могли бы прижиться и на моторах поменьше – представьте, например, что ГАЗ Газель, УАЗ Патриот или LADA Vesta получают новый турбомотор, да ещё с характеристиками лучше, чем у зарубежных аналогов… Возможно ли, чтобы новая тенденция в двигателестроении началась в России?
Есть у учёных из УрФУ и решения для снижения термонагруженности атмосферных моторов, и одно из них – профилирование каналов: поперечное (путём введения вставки квадратного или треугольного сечения) и продольное. В принципе, по всем этим решениям сейчас можно строить рабочие образцы, проводить испытания и при их положительном исходе запускать серийное производство – заданные проектно-конструкторские направления, по мнению учёных, не требуют значительных финансовых и временных затрат. Теперь должны найтись заинтересованные производители.
Леонид Плотников говорит, что считает себя в первую очередь учёным и не ставит цели коммерциализировать новые разработки.
Среди целей я, скорее, назвал бы проведение дальнейших исследований, получение новых научных результатов, разработку оригинальных конструкций газовоздушных систем поршневых ДВС. Если мои результаты будут полезны промышленности, то я буду рад. По опыту знаю, что внедрение результатов – очень сложный и трудоемкий процесс, и если в него погружаться, то на науку и преподавание не останется времени. А я больше склонен именно к области образования и науки, а не к промышленности и бизнесудоцент «Уральского федерального университета имени первого президента России Б.Н. Ельцина» (УрФУ)
Однако добавляет, что уже начался процесс внедрения результатов исследования на энергомашины ПАО «Уралмашзавод». Темпы внедрения пока невысоки, вся работа находится на начальном этапе, и конкретики очень мало, однако заинтересованность у предприятия есть. Остаётся надеяться на то, что результаты этого внедрения мы всё же увидим. А также на то, что работа учёных найдёт применение в отечественном автопроме.
А как вы оцениваете результаты исследования?
Двигатели - механизмы, приводящие в движение транспорт или машину. Двигатели работают на топливе (например, двигатели внутреннего сгорания), на ядерной энергии (РИТЭГ), на электричестве (двигатели электромобилей), на водороде, на газу, на дизельном топливе и на многом другом. Тип топлива двигателя определяет его экологичность и другие качества. Двигатели прошли довольно длинную историю, но она еще далеко не окончена. Ученые и инженеры постоянно думают над новым топливом и новыми двигателями, стремясь уместить больше энергии в меньшее количество расходов.
Прямо сейчас на орбите Земли работает тысяча искусственных спутников, практически каждый из которых передвигается при помощи дорогостоящих ионных двигателей со сроком службы не более трех лет. Если эти двигатели такие дорогие и недолговечные, почему бы ученым не разработать более дешевый и надежный вариант управления спутниками? Многих это удивит, но он уже создан и применен в - он движется вокруг планеты за счет солнечных частиц, которые толкают прикрепленный к спутнику парус. Огромное и блестящее полотно было развернуто 23 июля, и его вполне можно разглядеть с Земли.
В конце 2018 года, в ходе очередной переписки в твиттере, основатель SpaceX упомянул российский ракетный двигатель РД-180. Он признал его конструкцию «блестящей» и намекнул, что компаниям Boeing и Lockheed должно быть стыдно за его использование в ракете Atlas. Он пообещал, что его двигатель Raptor опередит российскую разработку, и сдержал слово - стало известно, что ракетный двигатель для космического корабля Starship опередил РД-180 по уровню давления в камере сгорания.
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.
Рис. 1. 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.
Рис. 2. 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
Американская компания Transonic Combustion решила не создавать новый двигатель, а добиться внушительной (25–30%) экономии топлива с помощью новой системы впрыска.
Высокотехнологичная система впрыска TSCiTM не требует радикальных переделок двигатели и, по сути, представляет собой набор инжекторов и специальный топливный насос.
Рис. 3. Процесс 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.
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.
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.
Рис. 4. Секрет выдающихся характеристик кроется в схеме работы Grail Engine.
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.
Какие критерии считают ключевыми для выбора «самого-самого»? Есть ли принципиальные отличия в подходе к конструированию на разных континентах? Попробуем найти ответы на эти вопросы.
ЕВРОПА: В РЕЖИМЕ ЭКОНОМИИ
На недавней пресс-конференции в Лондоне глава концерна «Пежо-Ситроен» Жан-Мартин Фольц весьма неожиданно для многих отозвался о гибридных автомобилях: «Посмотрите вокруг: таких машин в Европе менее 1%, тогда как доля дизелей достигает половины». По мнению господина Фольца, современный дизель гораздо дешевле в производстве, будучи не менее экономичен и экологичен.
Времена, когда дизели оставляли за собой черный шлейф, тарахтели на всю улицу и заметно уступали по литровой мощности бензиновым моторам, прошли. Сегодня удельная доля дизелей в Европе составляет 52% и продолжает расти. Толчок дают, например, экологические бонусы в виде сниженных налогов, но прежде всего - дороговизна бензина.
Прорыв на дизельном фронте произошел к концу 90-х, когда в серию пошли первые моторы с «коммон рейл» - общей топливной рампой. С тех пор давление в ней неуклонно растет. В новейших двигателях оно достигает 1800 атмосфер, а ведь еще недавно 1300 атмосфер считались выдающимся показателем.
На очереди - системы с двукратным повышением давления впрыска. Сначала насос нагнетает топливо в аккумулирующий резервуар до 1350 атм. Затем давление поднимают до 2200 атм, под которыми оно и поступает в форсунки. Под таким давлением топливо впрыскивают через отверстия меньшего диаметра. Это улучшает качество распыла, повышает точность дозировки. Отсюда выигрыш в экономичности и мощности.
Уже не первый год применяют пилотный впрыск: первая «партия» горючего поступает в цилиндры чуть раньше основной дозы, чем достигается более мягкая работа мотора и чистый выхлоп.
Помимо «коммон рейла», есть иное техническое решение, чтобы поднять давление впрыска на небывалую высоту. Насос-форсунки перебрались с грузовых моторов и на легковые дизели. Им привержен, в частности, «Фольксваген », составляя здоровую конкуренцию «общей рампе».
Одним из камней преткновения на пути дизеля всегда был экологический. Если бензиновые моторы журили за угарный газ, окиси азота и углеводороды в выхлопе, то дизели - за соединения азота и частицы сажи. Введение в прошлом году норм Евро IV далось непросто. С окислами азота справились посредством нейтрализатора, а вот сажу ловит особый фильтр. Он служит до 150 тыс. км, после чего его либо меняют, либо «прокаливают». По команде управляющей электроники в цилиндр подаются отработавшие газы из системы рециркуляции и большая доза топлива. Температура выхлопа повышается, и сажа выгорает.
Примечательно, что большинство новых дизелей могут работать на биодизельном горючем: в его основе лежат растительные масла, а не нефтепродукты. Это горючее менее агрессивно к окружающей среде, поэтому его массовая доля на рынке Европы должна достигнуть к 2010 году 30%.
Пока же специалисты отмечают совместную разработку «Дженерал моторс» и ФИАТ - один из «Двигателей года 2005». Малолитражный дизель благодаря электронике способен оперативно менять параметры впрыска и тем самым обеспечивать больший момент и быстрый пуск двигателя. Широкое использование алюминия, существенно снизившее массу и размеры, в сочетании с достаточной мощностью 70 л.с. и немалым крутящим моментом 170 Н.м позволили 1,3-литровому мотору набрать большое число голосов.
Учитывая все достижения на дизельном фронте, можно смело утверждать - ближайшее будущее Европы именно за этими двигателями. Они становятся мощнее, тише и удобнее для повседневной езды. С учетом теперешних цен на нефть потеснить их в Старом Свете не способен ни один из существующих типов двигателей.
АЗИЯ: БОЛЬШЕ СИЛ НА ЛИТР
Главное достижение японских двигателистов за последний десяток лет - высокая литровая мощность. Загнанные законодательством в узкие рамки, инженеры ухитряются добиться отменных результатов самыми разными способами. Яркий пример - изменяемые фазы газораспределения. В конце 80-х японская «Хонда » с ее системой VTEC совершила настоящий переворот.
Необходимость варьировать фазы диктуется различными режимами движения: в городе важнее всего экономичность и крутящий момент на низких оборотах, на трассе - на высоких. Отличаются и пожелания покупателей в разных странах. Раньше настройки мотора были постоянными, теперь же стало возможным менять их в буквальном смысле на ходу.
Современные моторы «Хонда » оснащают несколькими типами VTEC, в том числе и трехступенчатым устройством. Здесь корректируются параметры не только на низких и высоких оборотах, но и на средних. Так удается совместить несовместимое: высокую удельную мощность (до 100 л.с./л), расход топлива в режиме 60–70 км/ч на уровне 4 л на сотню и высокий крутящий момент в диапазоне от 2000 до 6000 об/мин.
В результате японцы успешно снимают высокую мощность с весьма скромных объемов. Рекордсменом по этому показателю который год подряд остается родстер «Honda S2000 » с безнаддувным 2-литровым двигателем мощностью 250 л.с. Несмотря на то, что мотор появился еще в 1999 году, он по-прежнему в числе лучших - второе место среди претендентов 2005 года объемом 1,8–2,0 л. Вторым бесспорным достижением японцев являются гибридные установки. «Гибрид Синержи Драйв» производства «Тойоты» отметился среди призеров не один раз, набрав наибольшее число баллов в номинации «экономичный двигатель». Заявленный показатель - 4,2 л/100 км для такой немаленькой машины, как «Тойота Приус », безусловно хорош. Мощность «Синержи Драйв» достигает 110 л.с., а суммарный момент бензиноэлектрической установки- выдающийся - 478 Н.м!
Кроме топливной экономичности, подчеркивается экологический аспект: выброс углеводородов и окислов азота у мотора на 80 и 87,5% ниже, чем того требуют нормы Евро IV для бензиновых моторов, и на 96% ниже требований к дизелям. Таким образом, «Синержи Драйв» с запасом укладывается в самые жесткие в мире рамки - ZLEV, планируемые к введению в Калифорнии.
В последние годы наметилась любопытная тенденция: применительно к гибридам речь все реже идет об абсолютных рекордах экономичности. Возьмем «Lexus RX 400h». Этот автомобиль расходует вполне обычные 10 л в городском цикле. С одной оговоркой - это очень мало, учитывая мощность основного мотора 272 л.с. и момент 288 Н.м!
Если японским компаниям, в первую очередь «Тойоте» и «Хонде», удастся снизить себестоимость агрегатов, продажи гибридов могут подскочить на порядок уже в ближайшие 5–10 лет.
АМЕРИКА: ДЕШЕВО И СЕРДИТО
На форумах американских автомобилей после проведения конкурса «Двигатель года» обязательно возникают дебаты: как это так, в числе победителей нет ни одного двигателя нашей разработки! Все просто: американцы, несмотря на продолжающийся топливный кризис, не слишком преуспели в экономии бензина, а про дизельное топливо и слышать не хотят! Но это не значит, что им нечем похвастать.
К примеру, «крайслеровские» моторы серии «Хеми», блиставшие на мощных моделях (их традиционно именуют в США «масл карз») еще в 50-х. Их название ведет родословную от английского hemispherical - полусферический. Конечно, за полвека многое изменилось, но, как и раньше, у современных «хеми» полусферические камеры сгорания.
Традиционно во главе линейки моторов стоят агрегаты неприличного по европейским меркам литража - вплоть до 6,1 л. Стоит открыть проспект, в глаза бросается разница в подходах к конструированию. «Лучшая в классе мощность», «самый быстрый разгон», «низкий уровень шума»… о расходе топлива говорится вскользь. Хотя он, конечно, небезразличен инженерам. Просто приоритеты несколько иные - динамические характеристики и… невысокая себестоимость агрегата.
В моторах «Хеми» нет изменяемых фаз. Они не столь форсированы и не могут даже близко подойти к лучшим японским агрегатам по литровой мощности. Зато в них применена хитроумная система MDS (Multi Displacement System - система нескольких объемов). Как намекает название, ее смысл кроется в отключении четырех из восьми цилиндров двигателя, когда не требуется использовать все 335 «лошадей» и 500 Н.м момента, например у двигателя объемом 5,7л. На отключение уходит всего 40 миллисекунд. Подобные системы прежде использовал «Джи-Эм», а у «Крайслера» это первый опыт. По заверению фирмы, MDS позволяет сэкономить до 20% топлива, в зависимости от манеры вождения. Боб Ли, вице-президент отделения двигателей «Крайслер », очень горд новым мотором: «Отключение цилиндров происходит элегантно и просто… преимущества - надежность и низкая цена».
Естественно, отключаемыми цилиндрами американские инженеры не ограничиваются. Они готовят и совсем другие разработки, например силовые установки на топливных элементах. Судя по появлению все новых концепт-каров именно с такими моторами, их будущее рисуется в розовых тонах.
Конечно, мы отметили лишь наиболее яркие особенности «национального двигателестроения». Современный мир слишком тесен, чтобы в нем бок о бок существовали принципиально разные культуры, не оказывая влияния друг на друга. Быть может, однажды выведут рецепт идеального «глобального» мотора? Пока каждый предпочитает бежать своей дорожкой: Европа готовится перевести чуть не половину парка на рапсовое масло; Америка хоть и старается не замечать происходящих в мире перемен, постепенно отвыкает от прожорливых мастодонтов и раздумывает над переводом инфраструктуры всей страны на водородное топливо; ну а Япония… как всегда, берет высокими технологиями и ошеломляющей скоростью их внедрения в жизнь.
ДИЗЕЛЬ «ПСА-ФОРД»
В ближайшее время начнется производство двух новых моторов, разработанных совместно концерном «Пежо-Ситроен» и «Фордом» (журналистам их представляет инженер «Форда» Фил Лэйк). Дизели объемом 2,2 л адресованы коммерческим и легковым автомобилям. Система «коммон рейл» отныне работает под давлением 1800 атм. Топливо впрыскивается в камеру сгорания через семь 135-микронных отверстий в пьезоэлектрических форсунках (ранее их было пять). Теперь стало возможным впрыскивать топливо до шести раз за один оборот коленчатого вала. Результат - более чистый выхлоп, экономия топлива, снижение вибраций.
Применили два компактных малоинерционных турбокомпрессора. Первый ответствен исключительно за «низы», второй подключается после 2700 об/мин, обеспечивая плавную кривую крутящего момента, достигающего 400 Н.м при 1750 об/мин и мощности 125 л.с. при 4000 об/мин. Масса двигателя по сравнению с предыдущим поколением снижена на 12 кг благодаря новой архитектуре блока цилиндров.
