Eine Geschichte über den Weg, den der Benzinmotor in den letzten 20 Jahren zurückgelegt hat

Bevor der Begriff "Downsizing" geprägt wurde, dachten die Designer, dass eine (zumindest teilweise) Lösung der Effizienzprobleme eines Benzinmotors ihn schlanker machen würde. Nach dem BMW и Mercedes schufen ihre eigenen atmosphärischen Fülleinheiten, N53 und E35 mit einem modernen Einspritzsystem mit Spray waren nicht die beste Lösung. Dies wurde als eine Kombination aus Turboaufladung, Direkteinspritzung, reduziertem Hubraum und reduzierter Anzahl von Zylindern angesehen. Es war jedoch Teil der Technologie dieser Motorräder, die auf kleinere Motorräder übertragen wurde. Zuvor hatte der Benzinmotor jedoch einige interessante Metamorphosen, von denen wir Ihnen erzählen werden.

Mit der Schaffung von Common-Rail-Systemen aus Befehl und die Entwicklung des Dieselmotors, Ottos Kreation, scheint von dem allgegenwärtigen Dieselmotor überschattet worden zu sein, der nicht nur sparsamer ist, sondern auch Spaß macht. Zu Beginn des Jahrhunderts erhielt die Entwicklung der Dieseltechnologie einen Anstoß, der in nur einem Jahrzehnt bis zu 23% des Anteils der Benzinmotoren am europäischen Markt schmolz.



In der Tat ist dies nichts Neues. Es genügt, in die Vergangenheit zu blicken, um zu verstehen, dass der Automobilbau immer wieder zum Sündenbock für politische und wirtschaftliche Interessen geworden ist und Krisenmomente oft als nützlicher Katalysator und Beschleuniger für Investitionen in die Technologieentwicklung gewirkt haben. Typische Beispiele sind die beiden Weltkriege, die Ölkrise, der Kampf gegen Smog und städtische Umweltverschmutzung in den USA, Europa und Japan in den XNUMXs und XNUMXs - alles Ereignisse, die zu einer dramatischen Veränderung der Einstellung der Öffentlichkeit gegenüber Autos und einem Anreiz für Unternehmen führten. in dieser Region. mehr in die Schaffung und Entwicklung neuer Technologien investieren.

Heute befinden wir uns in einer ähnlichen Situation und erleben eine der intensivsten Phasen in der Entwicklung der Automobiltechnologie. Im Zentrum der gegenwärtigen technologischen Euphorie stehen Faktoren wie der Anstieg der Kraftstoffpreise vor vielen Jahren und der Wunsch, die Emissionen tatsächlich zu senken. Selbst bei einem Rückgang der Kraftstoffpreise bleibt ihr Niveau in Europa aufgrund der enormen Steuerbelastung, mit der sie belastet sind, hoch. Kohlendioxid und damit verbundene Maßnahmen zur Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs und zur Anpassung der vorhandenen Motorbasis an alternative Kraftstoffe und Technologien sind lediglich eine Ableitung dieser Faktoren, deren Bedeutung eindeutig nicht minderwertig ist.

Jährlich werden weltweit rund 68 Millionen Autos und Lieferwagen mit Verbrennungsmotoren hergestellt (mit seltenen Ausnahmen), die Kohlenwasserstoffkraftstoffe verwenden. Wenn wir das chemische Gesamtverhältnis von "Kraftstoffrohstoffen zu Endprodukten" vom Fahrzeuggebrauch auf das wichtigste reduzieren, müssen wir daraus schließen, dass der Oxidationsprozess von Kohlenwasserstoffen in den Zylindern von Verbrennungsmotoren Wärme, Kohlendioxid und Wasser erzeugt. Punkt! Einfach und unkompliziert. Leider ist dies nur ein schönes Bild eines theoretisch idealen Falls, der in der objektiven Realität keinen Platz hat. In der Praxis sind mehr oder weniger schädliche Substanzen und Verbindungen wie Kohlenmonoxid, Stickoxide, reiner Kohlenstoff und stabile sekundäre Kohlenwasserstoffverbindungen, die infolge komplexer chemischer Wechselwirkungen während der Kraftstoffverbrennung gebildet werden, an diesem Prozess beteiligt. Die Auswirkungen der meisten dieser Emissionen in die Atmosphäre gelten als wesentlich gefährlicher als die CO2-Emissionen. In der Zwischenzeit werden ihre Emissionen jedoch weitgehend durch moderne Abgasbehandlungsanlagen kontrolliert. Oder nicht ganz nach den jüngsten Ereignissen.

Eine einfache Logik zeigt, dass eine Reduzierung der Kohlendioxidmenge bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung des Kraftstoffverbrauchs eines Autos nur durch eine Änderung des Verhältnisses aller bei der Verbrennung freigesetzten Substanzen erreicht werden kann, was wiederum einer Verringerung der Energieeffizienz und einer Erhöhung der Schadstoffemissionen entspricht. Dies ist natürlich völlig inakzeptabel und führt automatisch zu der eindeutigen Schlussfolgerung, dass der einzig sinnvolle und praktische Weg zur Reduzierung der CO2-Emissionen darin besteht, energieeffizientere und damit sparsamere Autos zu schaffen. Die Antriebsseite dieser Gleichung definiert das Hauptziel der Konstrukteure - die Fähigkeit zu finden, effizientere Verbrennungsprozesse in Verbrennungsmotoren zu erzeugen. Abgesehen davon stimmen die Ziele von Autoherstellern und Gesetzgebern normalerweise überein, und die Last des Wandels liegt bei echten Unternehmen mit echten Namen auf den Schultern. Ohne sie aufzulisten, stellen wir fest, dass die „üblichen Verdächtigen“ bei der Umsetzung technologischer Durchbrüche in der Automobilindustrie mehrere Elite-Marken sind, die eng mit Subunternehmern zusammenarbeiten, die eine ebenso reiche Geschichte, Traditionen und technologisches Potenzial haben.

Der Dieselmotor hat sich rasant entwickelt und erfreut sich in den letzten 15 Jahren wachsender Beliebtheit, gerade aufgrund des Potenzials, das sich aus dem technologischen Fortschritt in diesen Bereichen ergibt.

Zu diesem Zeitpunkt scheint die Entwicklung der Dieseltechnologie einen gewissen Sättigungsgrad erreicht zu haben.

Die Mittel, die für die Entwicklung und Implementierung neuer Technologien wie Common-Rail-Verbrennungsanlagen mit Einspritzdrücken von mehr als 2000 bar erforderlich sind, beginnen in einem nichtlinearen Verhältnis zu den Vorteilen ihrer Verwendung zu wachsen. In letzter Zeit widmen die Konstrukteure Umweltaspekten und der Reduzierung von Motorgeräuschen mehr Aufmerksamkeit. als bei der Verbesserung ihrer bereits beispiellosen Effizienz und Wirtschaftlichkeit.

Diese Entwicklung bietet gute Ausgangspunkte, um entgangenen Gewinn und Rache seitens des Benzinmotors auszugleichen. Derzeit kann er eine finanziell vielversprechende Anpassung bereits entwickelter Technologien und Systeme nutzen, um die Leistung von Dieselmotoren zu verbessern, die ihre Investitionen in sie bereits abgewertet und ihre Wirksamkeit bewiesen haben. Die schrittweise Einführung dieser technischen Innovationen führte natürlich zu einem Anstieg der Kosten für Benzinmotoren, aber aufgrund des Prinzips und der Art der Arbeitsprozesse in ihnen werden sie auf jeden Fall viel niedriger bleiben als die von Dieselmotoren. Schnelle Mikroprozessoren, die Entwicklung und Implementierung von piezoelektrischen Injektoren, Hochdruckpumpen, Turbotechnologien, flexibler Ventilsteuerung und benzinspezifischen Methoden zur Analyse chemischer Prozesse in Brennkammern in Echtzeit haben die Wahrnehmung des Otto-Motors grundlegend verändert.

Zuvor hatten BMW und Mercedes jedoch versucht, wettbewerbsfähige Produkte mit Saugmotor-Benzinaggregaten mit Direkteinspritzung und Magerverbrennung und Teillast zu entwickeln. Dank ihnen sind Prozesse, die seit Jahrzehnten in Lehrbüchern zur Theorie der Verbrennungsmotoren als verwandte futuristische Technologien beschrieben werden, zu einer Realität mit echten Vorteilen geworden. Lean Burn hat endlich eine Form angenommen, die den Wirkungsgrad eines Benzinmotors dem eines Dieselmotors näher bringt und zu Kraftstoffeinsparungen von bis zu 20% führen kann. Obwohl diese Errungenschaften der Designer angesichts der Verzweiflung, die auf das Versagen der GDI-Technologie folgte, definitiv Grund zum Optimismus waren. Mitsubishi Auch die ersten Mercedes-CGIs, bei denen die Direkteinspritzung und der Magerverbrennungsmodus eindeutig nicht die erforderliche technologische Reife und theoretische Klarheit erreichten, hielten nicht lange an.

Ihr Ansatz zur Direkteinspritzung und insbesondere zu Magerverbrennungsprozessen war radikal anders. Die moderne elektronische Technologie hat eine wichtige Rolle bei der Bildung des Gemisches gespielt, nicht nur als Steuereinheit für die Prozesse im Motor, sondern auch aufgrund der Geschwindigkeit und Genauigkeit bei der detaillierten Analyse von Labortests. Ohne sie und ohne Laser- und optische Technologien, die es Prozessen ermöglichen, direkt in das Herz des Motors einzudringen und zu steuern, wären unglaublich präzise und flexible Einspritz-, Misch- und Zündprozesse heute keine Realität. In diesen Bereichen des modernen Motorenbaus kann man mit Sicherheit von revolutionären Durchbrüchen sprechen - es ist kein Zufall, dass die von Siemens VDO und Bosch entwickelten Piezo-Injektoren fast gleichzeitig eine Reihe von prestigeträchtigen Preisen und Preisen gewonnen haben, und dies ist kein Zufall. einer der Hauptfaktoren, die es ermöglichten, die oben genannten Benzinmotoren mit Direkteinspritzung der neuen Generation von BMW und Mercedes zu schaffen.

Die jüngste Geschichte der Benzinmotoren mit Direkteinspritzung begann vor etwa zwei Jahrzehnten mit Mitsubishis frühen Schritten, aber die Gesamtidee ist nicht neu.

Sobald der erste homogene Verbrennungsmotor entwickelt wurde, konzipierte Otto eine Magerverbrennungsoption, die aus offensichtlichen Gründen in der Praxis nie umgesetzt wurde. Renommierte Ingenieure wie Hesselmann und Ricardo experimentierten zu Beginn des 70. Jahrhunderts mit ladungsgeschichteten Viertaktmotoren. Aufgrund der technischen Komplexität der Idee wurde diese Idee jedoch lange Zeit aufgegeben. Eine genaue Untersuchung der Geschichte zeigt mehrere experimentelle und sogar serienmäßige Motoren der 80er und 3102er Jahre - ein typisches Beispiel hierfür ist die interessante Entscheidung japanischer Ingenieure mit ihrer CVCC-Technologie unter Verwendung eines speziellen Vergasers, einer reichhaltigen Vorkammer und einer Hauptkammer. Magerer Brenner für geringen Verbrauch und geringe Emissionen. Eine ähnliche Lösung russischer Konstrukteure ist im Vergasermotor Wolga GAZ 50 in Form der sogenannten "Vorflammenzündung" implementiert. Obwohl die Theorie Schemata zur Organisation derartiger Verbrennungsprozesse offensichtliche Vorteile zuschreibt, konnte sie in der Vergangenheit niemand verwenden, da eine komplexe Prozesssteuerung erforderlich war, die auf der bestehenden technologischen Ebene unmöglich ist. Allmählich kristallisierte sich in der Fachwelt die Idee heraus, dass die Lösung in der direkten Kraftstoffeinspritzung in die Kammer gesucht werden sollte, aber in der gesamten Geschichte des Motorenbaus wurde eine kleine Anzahl solcher Benzineinheiten geschaffen. Goliath-Zweitaktmotoren und Mercedes-Viertakt-Sport-Viertaktmotoren, die modifizierte Hochdruckdieselpumpen verwendeten, wurden in den XNUMXer Jahren ebenfalls mit Direkteinspritzsystemen ausgestattet. Sie haben jedoch alle unterschiedliche Zwecke und streben bei der Arbeit mit mageren Gemischen keine Effizienz an.

Die Möglichkeit, die Arbeit mit mageren Gemischen zu organisieren und gleichmäßige Bereiche um die Zündkerze herum zu schaffen, ermöglicht es dem Benzinmotor, Füllverluste aufgrund der Fähigkeit, mit einer weit geöffneten Drosselklappe zu arbeiten, zu eliminieren, und die direkte Kraftstoffeinspritzung in die Kammer kühlt die Frischluft (keine Ventile und Zylinder). Wände (wie bei Ansaugkrümmer-Einspritzmotoren) erhöhen den thermodynamischen Wirkungsgrad und tragen dazu bei, ein höheres Verdichtungsverhältnis zu erreichen, was den Wirkungsgrad weiter erhöht. Und das sind nicht die einzigen Vorteile.

Auf Mitsubishis erste Experimente, die in den 90er Jahren tatsächlich in Massenproduktion durchgeführt wurden, folgten Entwicklungen anderer Unternehmen wie Toyota, Renault, PSA und VW, die jedoch trotz ihrer höheren Kosten nicht viel effizienter als die Ansaugkrümmereinspritzung waren. Einige von ihnen haben auch ernsthafte Zuverlässigkeitsprobleme. Die Gründe für das Scheitern dieser frühen Projekte, vor allem in der geringen Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs im Vergleich zu herkömmlichen Mischsystemen, sind unterschiedlicher Natur - vom hohen Schwefelgehalt in Benzin bis zum unzureichenden Niveau der Mikroprozessortechnologie in diesem System. bis einige Konstruktionsfehler, wie die Entscheidung, einen reichhaltigen Bereich um die Zündkerze herum zu schaffen, wobei die Kolbenoberfläche als reflektierende Abschirmung für das vom Ansaugkrümmer geführte Gemisch verwendet wird.

Bei den oben erwähnten Motoren BMW N53 und Mercedes E35 (3,0 bzw. 3,5 V6) unterscheidet sich die Herangehensweise an den Magerbetrieb grundlegend und ist ohne den Einsatz moderner Hochdruckpumpen, piezoelektrischer Düsen und flexibler Motoren praktisch unmöglich elektronische Hochgeschwindigkeitssteuerung von Einspritzung, Zündung und Ventilsteuerung. Wie wir in der nächsten Serie zu diesem Thema sehen werden, stehen die neuen Benzinmotoren jedoch auch vor neuen Herausforderungen, die wir gewohnt sind, der Natur ... des Dieselmotors zuzuschreiben.

(Folgen)

Text: Georgy Kolev

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