Бензиновый двигатель: бунт первенцев

Бензиновый двигатель: бунт первенцев

Рассказ о пути, который прошел бензиновый двигатель за последние 20 лет

До появления термина «уменьшение габаритов» конструкторы думали, что (хотя бы частичное) решение проблем с эффективностью бензинового двигателя должно обеспечить его работу на бедных смесях. После BMW et Mercedes создали свои блоки атмосферного наполнения, соответственно, N53 и E35 с современной системой впрыска с распылителем оказались не лучшим решением. Таковым считалось сочетание турбонаддува, прямого впрыска, уменьшенного рабочего объема и уменьшенного количества цилиндров. И все же это была часть технологии этих велосипедов, которая была перенесена на велосипеды уменьшенного размера. Однако до этого бензиновый двигатель претерпел несколько интересных метаморфоз, о которых мы вам и расскажем.

С созданием систем Common Rail от décret и разработка дизельного двигателя, творение Отто, похоже, было омрачено повсеместным дизельным двигателем, который не только более экономичен, но и доставляет удовольствие за рулем. В начале века развитие дизельных технологий получило импульс, который всего за десятилетие растопил до 23% доли бензиновых двигателей на европейском рынке.


На самом деле ничего нового в этом нет. Достаточно взглянуть в прошлое, чтобы понять, что производство автомобилей неоднократно становилось козлом отпущения для политических и экономических интересов, а моменты кризиса часто выступали в качестве полезного катализатора и ускорителя инвестиций в развитие технологий. Типичными примерами являются две мировые войны, нефтяной кризис, борьба со смогом и загрязнением городов в Соединенных Штатах, Европе и Японии в XNUMX-х и XNUMX-х годах — все события, которые стали предпосылкой для резкого изменения отношения общества к автомобилям и стимулом для компаний в этой области. инвестировать больше в создание и развитие новых технологий.

Сегодня мы находимся в похожей ситуации, являясь свидетелем одного из самых интенсивных периодов в развитии автомобильных технологий. В основе нынешней технологической эйфории лежат такие факторы, как рост цен на топливо много лет назад и, с другой стороны, желание фактически сократить выбросы. Даже при снижении цен на топливо их уровень в Европе остается высоким из-за огромного налогового бремени, которым они обременены. Углекислый газ и связанные с ним меры по снижению расхода топлива и адаптации существующей моторной базы для работы с альтернативными видами топлива и технологиями — это просто производная этих факторов, которая явно не уступает по важности.

Ежегодно во всем мире производится и продается около 68 миллионов автомобилей и фургонов с двигателями внутреннего сгорания, использующими (за редким исключением) углеводородное топливо. Если свести общее химическое соотношение «топливное сырье — конечные продукты» от использования автомобиля к наиболее важным, мы должны сделать вывод, что процесс окисления углеводородов в цилиндрах двигателей внутреннего сгорания выделяет тепло, углекислый газ и воду. Точка! Просто и понятно. К сожалению, это только красивая картина теоретически идеального случая, которому нет места в объективной реальности. На практике более или менее вредные вещества и соединения, такие как оксид углерода, оксиды азота, чистый углерод и стабильные вторичные углеводородные соединения, образующиеся в результате сложных химических взаимодействий при сгорании топлива, участвуют в этом процессе. Последствия выброса большинства из них в атмосферу считаются значительно более опасными, чем выбросы CO2, но тем временем их выбросы в значительной степени контролируются с помощью современных средств обработки выхлопных газов. Или не совсем по последним событиям.

Простая логика показывает, что уменьшение количества выделяемого углекислого газа при сохранении расхода топлива автомобилем может быть достигнуто только путем изменения соотношения между всеми веществами, выделяемыми при сгорании, что, в свою очередь, эквивалентно снижению энергоэффективности и увеличения вредных выбросов. Конечно, это абсолютно неприемлемо и автоматически приводит к однозначному выводу о том, что единственный разумный и практичный способ снизить выбросы CO2 — это создавать более энергоэффективные и, следовательно, более экономичные автомобили. Двигательная часть этого уравнения определяет главную цель конструкторов — найти возможность создавать более эффективные процессы сгорания в двигателях внутреннего сгорания. При этом цели автопроизводителей и законодателей обычно совпадают, и бремя изменений ложится на плечи реальных компаний с настоящими именами. Не перечисляя их, отметим, что «обычными подозреваемыми» в реализации технологических прорывов в автомобилестроении являются несколько элитных брендов, тесно сотрудничающих с субподрядчиками, с не менее богатой историей, традициями и технологическим потенциалом.

Дизельный двигатель быстро развивался и пользовался растущей популярностью за последние 15 лет именно из-за потенциала, используемого в результате технического прогресса в этих областях.

На данный момент развитие дизельных технологий, похоже, достигло определенного уровня насыщения.

Объем средств, необходимых для разработки и внедрения новых технологий, таких как установки для сжигания топлива Common Rail с давлением впрыска более 2000 бар, начинает расти в нелинейной зависимости от преимуществ их применения, и в последнее время проектировщики уделяют больше внимания экологическим аспектам и снижение шума двигателей, чем в повышении их и без того беспрецедентной эффективности и экономичности.

Такое развитие ситуации дает хорошие отправные точки для компенсации упущенных выгод и мести со стороны бензинового двигателя. В настоящее время он может воспользоваться перспективной с финансовой точки зрения адаптацией уже созданных технологий и систем для улучшения характеристик дизельных двигателей, которые уже обесценили вложенные в них средства и доказали свою эффективность. Постепенное внедрение этих технических новинок закономерно привело к удорожанию бензиновых двигателей, но в силу принципа и характера рабочих процессов в них они в любом случае останутся намного ниже, чем у дизелей. Быстрые микропроцессоры, разработка и внедрение пьезоэлектрических форсунок, насосов высокого давления, турбо-технологий, гибких фаз газораспределения и специфичных для бензина методов анализа химических процессов в камерах сгорания в реальном времени полностью изменили привычки людей к воспринимать двигатель Отто.

Однако до этого BMW и Mercedes пытались создать конкурентоспособные продукты с бензиновыми агрегатами с атмосферным наполнением, прямым впрыском и работающими на обедненных смесях при частичной нагрузке. Благодаря им процессы, которые десятилетиями описывались в учебниках по теории двигателей внутреннего сгорания как родственные футуристические технологии, стали реальностью с реальными преимуществами. Режим обедненной смеси наконец-то обрел форму, которая приближает эффективность бензинового двигателя к эффективности дизельного двигателя и может привести к экономии топлива на 20%. Хотя эти достижения дизайнеров определенно были поводом для оптимизма на фоне отчаяния, последовавшего за отказами технологии GDI. Mitsubishi и первые Mercedes CGI, в которых режимы прямого впрыска и обедненной смеси явно не достигли необходимой технологической зрелости и теоретической ясности, также просуществовали недолго.

Их подход к непосредственному впрыску и, в частности, к процессам в режиме работы с обедненными смесями был кардинально другим. Современные электронные технологии сыграли важную роль в образовании смеси, не только в качестве блока управления процессами в двигателе, но также благодаря скорости и точности при детальном анализе лабораторных испытаний. Без них, а также без лазерных и оптических технологий, которые позволяют процессам проникать и контролировать непосредственно в сердце двигателя, невероятно точные и гибкие процессы впрыска, смешивания и зажигания не были бы реальностью сегодня. В этих областях современного двигателестроения можно смело говорить о революционных прорывах — неслучайно почти одновременно созданные Siemens VDO и Bosch пьезофорсунки завоевали ряд престижных наград и премий, и это не случайно. из основных факторов, сделавших возможным создание упомянутых бензиновых двигателей с непосредственным впрыском топлива нового поколения BMW и Mercedes.

Недавняя история бензиновых двигателей с непосредственным впрыском началась с первых шагов компании Mitsubishi около двух десятилетий назад, но в целом идея не нова.

Как только был создан первый двигатель внутреннего сгорания с однородными смесями, Отто задумал вариант с бедными смесями, который по понятным причинам так и не был реализован на практике. Известные инженеры, такие как Хессельман и Рикардо, экспериментировали с четырехтактными двигателями со стратификацией заряда в начале двадцатого века, но из-за технической сложности этой идеи от нее надолго отказались. При внимательном изучении истории можно выявить несколько экспериментальных и даже серийных двигателей 70-х и 80-х годов — типичным примером в этом отношении является интересное решение японских инженеров с их технологией CVCC с использованием специального карбюратора, форкамеры с богатой смесью и основной камеры. камера сгорания с бедной смесью для достижения низкого расхода и выбросов. Похожее решение российских конструкторов реализовано в карбюраторном двигателе Волги ГАЗ 3102 в виде так называемого «предпламенного зажигания». Хотя теория приписывает схемам организации процессов горения такого типа очевидные преимущества, в прошлом никто не мог ими воспользоваться из-за необходимости комплексного управления процессом, что невозможно на имеющемся технологическом уровне. Постепенно в техническом сообществе выкристаллизовалось представление о том, что решение следует искать в непосредственном впрыске топлива в камеру, но за всю историю двигателестроения было создано незначительное количество таких бензиновых агрегатов. Двухтактные двигатели Goliath и четырехтактные спортивные четырехтактные двигатели Mercedes, в которых использовались модифицированные дизельные насосы высокого давления, также были оснащены системами непосредственного впрыска в 50-х годах. Однако все они имеют разное назначение и не ищут эффективности при работе с бедными смесями.

Возможность организации работы с обедненными смесями и создание однородных участков вокруг свечи зажигания позволяет бензиновому двигателю исключить потери при заполнении за счет возможности работы с широко открытой дроссельной заслонкой, а прямой впрыск топлива в камеру охлаждает свежий воздух (не клапаны и цилиндры). стенки, как в двигателях с впрыском во впускных коллекторах), повышая термодинамический КПД и помогая достичь более высокой степени сжатия, что еще больше увеличивает КПД. И это далеко не единственные преимущества.

За первыми экспериментами Mitsubishi, фактически реализованными в серийном производстве в 90-х годах, последовали разработки других компаний, таких как Toyota, Renault, PSA и VW, которые, однако, оказались не намного эффективнее впрыска во впускные коллекторы, несмотря на их более высокую стоимость. Некоторые из них также имеют серьезные проблемы с надежностью. Причины провала этих первых проектов, заключающиеся, прежде всего, в небольшом снижении расхода топлива по сравнению с традиционными системами смешения, имеют различную природу — от высокого содержания серы в бензине до недостаточного уровня микропроцессорной техники в этой системе. время до некоторых конструктивных ошибок, таких как решение создать богатую область вокруг свечи зажигания, используя поверхность поршня в качестве отражающего экрана для смеси, направляемой впускным коллектором.

В двигателях BMW N53 и Mercedes E35, о которых мы говорили выше (агрегаты 3,0 и 3,5 V6 соответственно), подход к режиму работы на обедненных смесях кардинально иной и практически невозможен без применения современных насосов с высокое давление, пьезоэлектрические форсунки и гибкое управление впрыском, зажиганием и газораспределением, осуществляемое с помощью высокоскоростной электроники. Однако, как мы увидим в следующей серии материалов по этой теме, новые бензиновые двигатели также столкнулись с новыми проблемами, которые мы привыкли относить к природе… дизельного двигателя.

(suivre)

Texte: Georgy Kolev

ARTICLES SIMILAIRES

LIRE AUSSI

Accueil » Essai routier » Moteur à essence: Firstborn Riot

Ajouter un commentaire