Тест драйв представление революционного мотор на Infiniti

Разговор с водещите специалисти на Infiniti и Renault-Nissan — Шиничи Кага и Ален Рапосто

Ален Рапосто изглежда самоуверен. Вицепрезидентът на алианса Renault-Nissan, отговорен за развойната дейност в областта на двигателите, има пълно основание за това. В съседство на залата, в която разговаряме, е щандът на Infiniti, луксозната дъщерна марка на Nissan, която днес представя първия в света сериен двигател VC-Turbo с променлива степен на сгъстяване. Същата енергия струи и от колегата му Шиничи Кига, шеф на отдела за двигатели на Infiniti.

Пробивът направен от конструкторите на компанията Infiniti наистина е огромен. Създаването на сериен бензинов двигател с променлива степен на сгъстяване е наистина технологична революция, каквато въпреки многобройните опити не се отдала на никого досега. За да разберете смисъла на подобно нещо, е добре да прочетете поредицата ни „Какво се случва в автомобилния двигател“, описваща горивните процеси в бензиновия мотор. Тук ще споменем все пак, че от термодинамична гледна точка колкото по-висока е степента на сгъстяване, толкова по-ефективен е един двигател – много просто казано, така частиците на горивото и кислорода от въздуха се намират в много по-голяма близост и химическите реакции са по-пълноценни, освен това топлината не се разпилява навън, а се консумира от самите частици.

Високата степен на сгъстяване е едно от големите предимства на дизеловия двигател пред бензиновия. Спирачката пред последния е явлението детонация, добре описано във въпросната поредица от статии. При по-големи натоварвания, респективно по-широко отворена дроселова клапа (като например при ускоряване за изпреварване) количеството гориво въздушна смес, навлизаща във всеки цилиндър е по-голямо. Това означава по-високо налягане и по-висока средна работна температура на работа. Последното от своя страна предизвиква по-силно притискане на остатъците от гориво-въздушната смес от фронта на пламъка на горене, по-интензивно образуване и на прекиси и хидропрекиси в остатъчната част и иницииране на взривообразно горене в двигателя, което е типично с изключително висока скорост, метален звън и буквално разпиляване на енергията генерирана от остатъчната смес.

За да намалят тази склонност при големи натоварвания (разбира се, склонността към детонации зависи и от други фактори като външна температура, температура на охладителната течност и маслото, детонационната устойчивост на горивата и прочее) конструкторите се принуждават да намалят степента на сгъстяване. С това обаче те загубват откъм ефективността на двигателя. Всичко казано дотук е още по-валидно при наличие на турбо пълнене, тъй като въздухът, макар и охладен от междинния охладител все пак навлиза предварително сгъстен в цилиндрите. Това означава и повече гориво, респективно и по-висока склонност към детонации. След масовото навлизане на даунсайзинг двигатели с турбо пълнене този проблем става още по-явен. Затова конструкторите говорят за „геометрична степен на сгъстяване“, тази определена от конструкцията на двигателя и „реална“, когато се отчита факторът на предварително сгъстяване. Затова дори при модерните турбо мотори, разполагащи с директно впръскване на горивото, имащо важна роля за вътрешното охлаждане на горивната камера и снижаване на средната температура на горивния процес, респективно на склонността на към детонации, степента на сгъстяване рядко надвишава 10,5:1.

Но какво би се случило, ако геометричната степен на сгъстяване може да се променя в хода на работа. Да бъде висока в режими на малко и частично натоварване, достигайки теоретичния максимум и да се намалява при високо налягане на турбо пълненето и голямо налягане и температура в цилиндрите, за да се избегнат детонациите. Това би позволило едновременно възможност за увеличаване на мощността с турбо пълнене с по-високо налягане и по-висока ефективност, респективно нисък разход на гориво.

Ето че след 20-годишен труд двигателят на Infiniti показва, че това е възможно. Според Рапосто трудът, който екипите са хвърлили, за да го създадат, е бил огромен и плод на танталови мъки. Изпробвани са различни варианти по отношение на архитектурата на двигателя, докато преди 6 години се достигне до тази и да започнат прецизните настройки. Системата позволява динамично, безстепенно регулиране на степента на сгъстяване в диапазона от 8:1 до 14:1.

Самата конструкция е гениална: Мотовилката на всеки цилиндър не предава движението си директно към мотовилковите шийки на коляновия вал, а към единият ъгъл на специално междинно звено с отвор в средата. Звеното се поставя върху мотовилковата шийка (тя е в неговия отвор) и получавайки силата на мотовилката в единия си край я предава към шийката като звеното не се върти, а извършва осцилиращо движение. От другата страна на въпросното звено е монтирана лостова система която служи като своеобразна негова опора. Лостовата система завърта звеното по оста му като по този начин измества точката на закрепване на мотовилката от другата му страна. Осцилиращото движение на междинното звено се запазва, но оста му се завърта и така определя различни начални и крайни позиции на мотовилката респективно буталото и динамична промяна на степента на сгъстяване в зависимост от условията.

Ще кажете – но това безкрайно усложнява двигателя, въвежда в системата нови движещи се механизми, а всичко това води до повишено триене и инертни маси. Да, на пръв поглед е така, само че при механизма на двигателя VC-Turbo се получават няколко много интересни явления. Допълнителните звена на всяка мотовилка, управлявани от общ механизъм в голяма степен балансират силите от втори порядък, така че въпреки двулитровия си работен обем, четирицилиндровият двигател не се нуждае от балансиращи валове. Освен това, тъй като мотовилката не извършва типичното широко движение на въртене, а предава силата на буталото върху единия край на междинното звено, тя на практика е по-малка и лека (това за зависи и от цялата сложна динамика на силите предавани през въпросната система) и – най-важното – има ход на отклонение в долната си част от едва 17 мм. Избягва се моментът на най-голямото триене, при конвенционалните двигатели, характерно за момента на потегляне на буталото от горна мъртва точка, когато мотовилката притиска по оста коляновия вал и загубите са най-големи.

Така, според господата Рапосто и Кига, недостатъците в голяма степен се елиминират. Оттук насетне идват ползите от динамичната промяна на степента на сгъстяване, която е базирана на предварително зададени на базата на тестовете на стенд и на пътя (хиляди часове) софтуерни програми, без да е необходимо измерване в реално време на това което се случва в двигателя. В машината са интегрирани над 300 нови патента. Авангардният характер на последния включва и двойна система за впръскване на горивото с инжектор за директно впръскване на цилиндър, използван най-вече при студен старт и по-големи натоварвания и инжектор във всмукателните колектори осигуряващи по-добри условия за сместване на горивото и по-малък разход на енергия при частично натоварване. Така сложната система за впръскване предлага най-доброто от двата свята. Разбира се, двигателят изисква и по-сложна система за смазване, като гореописаните механизми разполагат със специални канали за смазване под налягане, явяващи се като допълнение на основните канали в коляновия вал.

Резултатът от това на практика е, че четирицилиндровият бензинов мотор двигател с мощност от 272 к.с. и въртящ момент от 390 Нм ще изразходва с 27% по-малко гориво от досегашния атмосферен шестцилиндров мотор с близка до тази мощност.

Текст: Георги Колев, специлен пратеник на сп. auto motor und sport България в Париж