Ане торопись ты ДВС хоронить: настоящее и будущее двигателя внутреннего сгорания

В камере сгорания двигателя с совокупностью HCCI (Homogeneous charge compression ignition) в один момент появляется огромное количество микроочагов возгорания. Экологические характеристики HCCI впечатляют.

В случае если процесс сгорания солярки в дизельных двигателях приводит к повышенному образованию сажи и окисей азота, то более «холодному» HCCI эти болячки неизвестны. По словам Херманна Миддендорфа, начальника проекта по разработке суперкомпактных бензиновых моторов EA111 компании Volkswagen, агрегаты типа HCCI смогут обойтись без дорогостоящего катализатора Схема двигателя скудери В двигателе Скудери один цилиндр рекомендован для сжатия и впуска, а второй — для выпуска и рабочего такта отработанных газов.

Цилиндры соединяются между собой каналами с клапанным механизмом, по которым сжатая топливовоздушная смесь поступает в рабочий цилиндр. Двигатель Скудери складывается из двух таких пар На выставке Engine EXPO 2009 английская компания Ilmor Engineering представила концептуальный пятитактный ДВС.

Мысль автора концепции Герхарда Шмитца содержится в применении четырех- и двухтактной схемы в одном агрегате. Три цилиндра пятитактного ДВС имеют различный внутренний диаметр. Мелкие первый и третий трудятся по простому четырехтактному циклу.

Средний, низкого давления, — на остаточном расширении отработанных газов в двухтактном режиме. На протяжении первых трех тактов смесь, как в большинстве случаев, всасывается, сжимается и совершает рабочий движение в малых цилиндрах. На протяжении четвертого такта отработавшие газы перемещаются из малых цилиндров в большой и сжимаются. Остаточное расширение выброса в громадном цилиндре обусловливает пятый, рабочий такт

<p>

Электрическая розетка стала знаком прогресса. Стенды большинства автокомпаний на прошедшем в январе Детройтском автосалоне практически били током, а любое упоминание о ветхом добром ДВС звучало моветоном.

Так что же — двигатель внутреннего сгорания с треском накрылся капотом? Не торопитесь с соболезнованиями. По-крайней мере в том месте же, в Детройте, представитель Toyota Коеи Сага на вопрос репортеров о том, в то время, когда ДВС, наконец, выйдет из игры, простодушно ответил: «Ни при каких обстоятельствах!

В то время, когда кончится нефть, человечество будет заправлять его водородом».

Аналитики американского Департамента энергетики DOE уверены в том, что ДВС может попыхтеть еще пара десятилетий. Причем прирост эффективности бензиновых и дизельных двигателей к 2020 году может составить 30%, а к 2030-му — 50%. Технологии, каковые окажут помощь добиться этих результатов, тестируются уже сейчас.

Вездесущее пламя

В далеком 1978 году группа исследователей японского университета Clean Engine Research, пробовавших оптимизировать процесс сгорания горючего в двухтактных мотоциклетных моторах, случайно зафиксировала необыкновенный феномен, названный HCCI (Homogeneous charge compression ignition). При достижении определенного давления в камере бензинового двухтактника возгорание направляться заряда происходило без искры свечи зажигания.

Но самое занимательное — вместо привычного зажигания смеси около последующего распространения и свечи пламени на периферию в камере в один момент появлялось огромное количество микроочагов возгорания. Как следствие, смесь сгорала при более низкой, чем в большинстве случаев, температуре, весьма скоро и полностью.

Имеющийся в то время уровень развития и математический аппарат термодинамики не разрешили осознать обстоятельства происхождения феномена HCCI, и его посчитали курьезом. Через 2 десятилетия в арсенале инженеров показались замечательные средства компьютерного моделирования, каковые помогли немного открыть завесу тайны над HCCI. Работы в данной области во второй половине девяностых годов начались в Германии (Mercedes-Benz, Volkswagen), Японии (Nissan) и Америке (Дженерал моторс).

Для образования однородного топливовоздушного облака с предельно низкой плотностью в состав смеси вводятся тёплые отработанные газы. Они скоро разогревают данный коктейль, облегчая его перемешивание в камеры.

В случае если в условиях хорошего прямого впрыска горючее распыляется в виде аэрозоля, то в HCCI смесь является небольшой туман. В то время, когда поршень сжимает смесь до определенного количества, температура подскакивает до точки самовоспламенения.

Сгорание HCCI характерно отсутствием открытого пламени и более низкой, чем у дизельных двигателей, температурой. В следствии часть сгоревшего горючего вырастает до 95−97% в сравнении с 75% в циклах Отто и Дизеля. Причем на богатых смесях HCCI не работает — ему необходимы практически травяные доли горючего, на 30 и более процентов беднее, чем у лучших современных ДВС.

Однако отработанная разработка HCCI — до тех пор пока еще дело будущего. Термодинамика процесса очень сложна и требует от ученых ответа массы неприятностей.

Главные из них — неустойчивая работа на холостых и больших оборотах, неравномерность распределения остатков и неконтролируемая детонация смеси топливовоздушного облака в камере. Действительно, в последние месяцы хорошие новости появляются ободряюще систематично.

Эксперты Дженерал моторс информируют, что сумели обуздать стихию на малых оборотах, а английские инженеры из Lotus заявляют, что выстроили трудящийся прототип супердвигателя Omnivore, «снизу доверху» поддерживающий процесс HCCI. Согласно точки зрения вице-главы фирмы Bosch Хеннинга Шнайдера, машины с расходом горючего в пределах 3 л на 100 км, оснащенные ДВС с разработкой HCCI, станут серийными уже в 2015 году.

У Volkswagen подход более осмотрительный — компания разрабатывает новый двигатель, трудящийся с применением свечей зажигания при полной нагрузке и на холостом ходу, а в среднем диапазоне оборотов — в режиме HCCI. Инженеры Nissan кроме этого не стоят на месте — сравнительно не так давно они заявили о создании замечательного софта, разрешающего создать компьютерную модель феномена HCCI, и уже начали работату над собственным супердвигателем.

Разделение труда

В пасхальное утро 2001 года инженер Кармело Скудери собрал у себя дома все семейство и празднично сказал, что создал ДВС нового типа, что перевернет мир. Детальное описание разработки поместилось в нескольких рукописных блокнотах — старик не жаловал компьютер и все собственные расчеты делал на логарифмической линейке.

В 2002 году Кармело, лишь начав переговоры с учеными Университета Саутвест, погиб от сердечного приступа. Дело отца забрали в собственные руки дети Скудери, и спустя всего восемь лет действующий прототип двигателя с поделённым циклом (Split-Cycle Combustion SCC) был представлен на Глобальном конгрессе Общества автомобильных инженеров SAE в Детройте.

Нужно заявить, что концепция поделённого цикла не нова. Еще в первой половине 90-ых годов XIX века американская компания Backus Water Motor Company производила малыми сериями такие моторы, но они не стали распространены, и мысль сто лет пролежала на полке.

В двигателе Отто любой поршень последовательно совершает такты всасывания, сжатия, выпуска и рабочего хода. В разработке Скудери обязанности по-братски делятся между парными цилиндрами: один рекомендован для сжатия и впуска, второй — для выпуска и рабочего такта отработанных газов.

Цилиндры соединяются между собой каналами с клапанным механизмом, по которым сжатая топливовоздушная смесь поступает в рабочий цилиндр. Двигатель Скудери складывается из двух таких пар.

В цикле Отто рабочий движение происходит на каждом втором обороте коленчатого вала, в двигателе Скудери — на каждом. Разделение функций цилиндров разрешает более действенно применять любой из них, к примеру, расширить длительность рабочего сгорания и ход поршня горючего, не превышая допустимой степени сжатия горючего.

Зажигание смеси происходит по окончании того, как рабочий поршень начинает двигаться вниз, в отличие от простого двигателя с опережением зажигания. Расчеты говорят о том, что разделение цикла дает значительно более высокую степень сжатия смеси и стремительное и полное ее сгорание.

Сыновья Кармело усовершенствовали конструкцию мотора, добавив к ней баллон со сжатым воздухом. Воздушное пространство поступает в рабочий цилиндр, улучшая процесс сгорания смеси.

Наряду с этим отработанные газы мотора Скудери содержат на 80% меньше углекислого газа и окисей азота, чем у классических 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 интерес нескольких больших производителей машин, включая PSA Peugeot Сitroёn и Honda, каковые подписали со Scuderi Group соглашения о доступе к изучению патентованной разработке. Германский Daimler и итальянский Fiat кроме этого публично подтвердили большой интерес к мотору Скудери.

Компания Robert Bosch заключила сделку со Scuderi Group на разработку компонентов к SCC в надежде, что в один раз эта разработка станет серийной. А выдающийся эксперт по термодинамике из Массачусетского технологического университета доктор наук Джон Хейвуд назвал поделённый цикл сгорания настоящей альтернативой HCCI. Наладить сборку таких ДВС в промышленных масштабах на существующих фабриках несложно — никаких экзотических материалов и нестандартных технологических операций для этого не нужно.

Всеядный двухтактник

Многие эксперты по ДВС сейчас 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 разработкой SVC (Saab Variable Compression). Данный мотор выдавал 228 л.с. и 305 Н•м крутящего момента, потребляя наряду с этим на 30% меньше топлива, чем простые аналоги по мощности.

За прошедшие десять лет разработка VCR сделала громадный ход вперед. Французская компания MCE заявила сравнительно не так давно о создании двигателя MCE-5VCR. Степень сжатия в нем изменяется в пределах от 7:1 до 20:1, а расход горючего 1,5-литрового мотора на 30% ниже, чем у аналогов.

Американская Envera разрабатывает 4-цилиндровый бензиновый VCR количеством 1,85 л со степенью сжатия от 8,5:1 до 18:1. Работа финансируется Департаментом энергетики США. Целевая мощность мотора образовывает 300 л.с.- практически 162 л.с. на 1л количества.

Расчетный большой крутящий момент превышает 400 Н•м при 4000 оборотах вала. Главный элемент конструкции — гидравлический актуатор, что поворачивает эксцентрик, который связан 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 разработки VCR продвинулась известная Lotus Engineering. На Женевском автосалоне в марте 2009 года англичане представили собственный концептуальный ДВС Omnivore («Всеядный»). Двухтактный бензиновый мотор с прямым изменяемой степенью и впрыском топлива сжатия от 10:1 до 40:1, по заявлению инженеров Lotus, способен переваривать любое жидкое горючее и наряду с этим экономичен и экологически чист.

Omnivore — это моноблок с цельнолитыми головкой и блоком. Рабочий количество мотора — всего 0,5 л. Одно из основных преимуществ моноблока — отсутствие выработки диаметра цилиндра. В простых ДВС износ происходит из-за микронных перемещений болтов в местах крепления головки к блоку.

Инновационный улавливающий клапан CTV (Charge Trapping Valve) в выпускном тракте разрешает варьировать время открытия выпускного клапана в широком диапазоне. Совокупность впрыска FlexDI с давлением 6,5 атм для Omnivore создана австралийской компанией Orbital.

Она разрешает готовить сбалансированную смесь в цилиндра независимо от вида горючего. Такая смесь есть базисной для режима HCCI, а совокупность управления впрыском — базой для управления параметрами HCCI.

Механизм трансформации степени сжатия Omnivore является 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. Опробования показали надежную работу Omnivore в режиме HCCI во всем диапазоне оборотов, наряду с этим он с солидным зазором уложился в рамки нормативов Евро-6.

Из-за чего англичане взялись за двухтактную конфигурацию? «Lotus Engineering, как и многие другие автокомпании, продолжительно придерживалась четырехтактных концепций. Это следствие исторического доминирования таких агрегатов.

Неприятность таких ДВС — неэффективное сжигание горючего на частичных и экстремальных нагрузках. Двухтактники не страдают этим недугом и потому очень занимательны для автоиндустрии.

Помимо этого, они не требуют компактизации», — поясняет Джейми Тернер, основной инженер Lotus Engineering. По оценкам Lotus, коммерциализация Omnivore займет еще полтора-два года.

Тёплая стенки

Американский инженер Джон Заяц внес предложение собственную концепцию ДВС, близкую к двигателю с раздельным циклом Скудери

Изобретатель говорит, что его двигатель на 15% экономичнее дизеля и на 30% — бензинового аналога по мощности. В двигателе Заяца воздушное пространство из цилиндра сжатия попадает в камеру, где создается повышенное давление топливной смеси, на 40% больше простого уровня для бензиновых моторов.

Камера, ее форма, принцип работы, материалы и дизайн для изготовления защищены 19 патентами. Воздушное пространство в камере смешивается с горючим и возгорается. Процесс сгорания намного продолжительней, чем в простом ДВС.

В камеры создается особенная среда — «тёплая стенки», которая является аккумулятором энергии: давление и неизменная температура в ней сохраняются в 10−100 раз продолжительнее, чем в камере сгорания простого мотора. После этого раскаленные газы через особый клапан попадают в рабочий цилиндр.

Разработка Zajac Motors привлекла внимание автогигантов. В 2009 году у Заяца показались важные партнеры — Дженерал моторс и канадская Magna.

Статья размещена в издании «Популярная механика» (№89, март 2010).

А не торопись ты нас хоронить

Записи по принципу Рандом:

• На3d-принтере в первый раз печатается автомобиль
• Видео: автомат попродаже машин
• Эластичное будущее: шины
• Subaru: замечательный, надёжный, комфортный
• Генсеки вкроссовках: спорткары победившего социализма
• Тайный коммунистический проект: ядерный автомобиль

самые интересные для Вас статьи, подобранные по важим запросам:

• Бензиновый двигатель: устройство…

  Бензиновый двигатель: устройство, принцип действия, преимущества и недочёты Бензиновый двигатель – особенный вид поршневого ДВС (двигателя внутреннего…

• Бензиновая кулинария: прогресс двигателей

  Бензиновая кулинария: Прогресс двигателей Совершенный повар Карбюратор, изобретенный в первой половине 90-ых годов девятнадцатого века, являлся верой и правдой практически век. Мысль распылительного…

• Это что может значить? простое управление…

  Это что может значить? Простое управление по автомобильным терминам Управление по автомобильным терминам в автопромышленности Вас запутал автомобильный…

• Двигатель внутреннего сгорания…

  Двигатель внутреннего сгорания: виды, принцип действия, преимущества и недочёты Двигатель внутреннего сгорания (ДВС) – автомобильный механизм, работа…

• По каким правилам трудится двигатель…

  По каким правилам трудится двигатель Инфинити с изменяемой степенью сжатия, подробная информация Первый серийный экземпляр двигателя с изменяемой…

• Из-за чего дизельные двигатели более…

  Из-за чего дизельные двигатели более экономичные, чем бензиновые? Преимущество дизельных моторов. Дизель. Для многих Российских автомобилистов остается…

• Совокупность трансформации степени сжатия…

  Совокупность трансформации степени сжатия топливной смеси современного ДВС Серьёзным техническим показателем современного ДВС есть степень сжатия, которая…