Чи є майбутнє у ДВС? Аналіз останніх тенденцій

1. Пальне плюс електрику
2. На шарнірах або без розподілвалів
3. Пара циліндрів і тактів
4. Від свічок і від стиснення. Поки що…

Здавалося б, питання відходу зі сцени двигуна внутрішнього згоряння вирішене. «Електрички» від різних виробників вже в асортименті. Хтось робить упор на паливні елементи. І багато країн створюють умови для переходу на випуск «чистого» транспорту. У всякому разі, заявляють про те, що «до такого-то року не хотіли б бачити на дорогах автомобілі, що спалюють паливо». Усе! Амба! Так що, через пару-трійку десятиліть не старий на даний момент «споживач вуглеводнів» буде сприйматися як Oldsmobile 442, виявлений героєм Сильвестра Сталлоне у фільмі «Руйнівник»? Як релікт, як динозавр? По-моєму, не варто поспішати з висновками.

Oldsmobile 442

Тренд очевидний. «Чиста енергія», менш пов'язана з природними ресурсами і не забруднює мегаполіси, які давно задихаються від вихлопу, безумовно, отримає масове поширення. Але чи варто вже зараз ставити хрест на ДВС? Ряд виробників - з Німеччини, Японії - зовсім не збираються цього робити. І будемо говорити прямо, при всьому інженерному потенціалі не поспішають пожинати лаври Ілона Маска. Навпаки, продовжують доводити конструкцію ДВС «до дзвону». Те ж роблять і розробники комплектуючих. Ось Bosch недавно анонсував завершення робіт над системою очищення дизельних двигунів . А куди діватися всім іншим - виробникам моторної периферії, «расходников», які не знайдуть застосування на електромобілях? Здається, що є якесь лобі і в цьому середовищі, не кажучи вже про нафтових магнатів.

Загалом, очікувати подальшого розвитку двигуна треба і від партнерів автокомпаній, і від самих виробників автомобілів. За якими шляхами воно йде? Нульовий викид? Про що ви говорите! Важливо зберегти потужність на більш-менш звичному рівні. Але при цьому вкластися в посилюються еконормам, які в тому числі прив'язані до витрати палива (в рамках всього модельного ряду компанії). Як ми знаємо, саме ці цілі переслідував даунсайзінг. І приблизно в той же час визначилася тяга інженерів збільшувати точку термостатирования - фактично підвищувати робочу температуру двигуна. Від першого начебто потихеньку відмовляються. По крайней мере, процес не рушив далі - до відверто мізерним робочим обсягами на порівняно великих автомобілях. Друге явище, що знайшло застосування в основному на моторах європейських, схоже, вкоренилася конкретно і відкату з 95-120 градусів, на яких трудяться нинішні мотори, до колишніх 80-90 не передбачається. Як не буде повального відмови від турбонаддува, систем зміни фаз газорозподілу, можливо, безпосереднього вприскування, EGR, використання сечовини на дизелях. Словом, усе те, що дозволяло вичавлювати з двигуна крихти економії і екології. Що ж далі? Ще раз скажемо - поле для діяльності є. Почасти пов'язане з електрифікацією і гибридизацией. Проте існують проекти, де провідна роль відводиться чистої механіки, точніше, модернізації процесів горіння палива.

Пальне плюс електрику

Чому, власне, потрібно зовсім відмовлятися від звичного двигуна, якщо його можна поєднувати з електромотором? Всі ми знайомі з Prius. А в кінці минулого десятиліття і на початку нинішнього не тільки Toyota та інші японські компанії, але і німці з розряду преміальних кинулися поєднувати ДВС і електрику. Такими, наприклад, стали Mercedes-Benz S 400 BlueHybrid, BMW ActiveHybrid 7, Porsche Panamera S Hybrid.

У них зв'язка обох агрегатів працювала по паралельній схемі. Електромотор був вбудований між ДВС і коробкою передач. При незначній потужності - всього 10-15 кВт - він працював в якості стартера, запасав енергію в батарею і допомагав двигуну на розгоні. Потім виробники туди ж почали ставити електромотори в 30-50 кВт, які дозволили пересуватися тільки на електротязі. Зростання потужності продовжився. Скажімо, недавно Audi представила Q7 e-tron з бензиновим і дизельним двигуном, де розташований там же електромотор розвиває вже 94 кВт, а сам автомобіль - так званий plug in, тобто заряджає. Іншими словами, німці пішли тим самим шляхом, що раніше японці зі своїм Пріус або, наприклад, Outlander PHEV. Тільки зробили це на іншому споживчому рівні. У міському трафіку (до 50 або близько того км) e-tron може пересуватися тільки на електриці. На автобанах - використовувати потужні ДВС в зв'язці з електромоторами. Виходить і економічно, коли це необхідно, і швидко в інших випадках.

Говоримо про симбіозі, про гібриди. Тим часом зробити екологічніше ДВС можна без стикування його з «кіловатним помічником». Просто максимально розвантажити колінвал, таким чином зробивши роботу ДВС легше. Згадаймо систему i-Eloop від Mazda, в якій при гальмуванні відбувається рекуперація енергії і запасання її в так званому суперконденсаторів, здатному заряджатися за кілька секунд. Потім він витрачає її на харчування електроустаткування, на зарядку акумулятора.

Наступний крок - перехід на 48-вольтів допоміжну систему. Наприклад, на Audi SQ7 з 4,0-літровою "вісімкою" вона знадобилася для пристрою на додаток до двох основних і традиційним третього компресора, що працює від електромотора потужністю 7 кВт. Начебто ніякої тут економії! Але ж це дизель, який сам по собі ощадливий в споживанні палива. І при цьому він розвиває 435 к.с., а його 900 Нм доступні з 1000 об / хв. У наявності бажання отримати таку Теслу (пуляет дизельний кросовер трохи гірше електроліфтбека), нехай і не з нульовим споживанням / викидами, проте не витрата пального відрами.

У Mercedes, розробляючи нову рядну «шістку» M256 об'ємом 3,0 літра, переслідували ті ж цілі. У ній також є електронаддув, який живиться від 48-вольтової системи. Остання, крім цього, працює в зв'язці з стартером-генератором, який і заводить мотор, і працює в режимі рекуперації, і додає ДВС 20 к.с. (Загальна віддача до 435 сил).

Що принципово, від допоміжної системи харчується електрична помпа і компресор кондиціонера. Це дозволило зняти зайве навантаження з клонували і зробити загальну довжину двигуна менше. А відмова від V6 викликаний неможливістю максимально близько до «голівках» розмістити катколлектор, що необхідно для їх швидкого прогрівання і дотримання двигуном нових еконорм.

На шарнірах або без розподілвалів

48 вольт, електронаддув та інше - це все периферія. Щось можна зробити з самим мотором, з блоком, «головкою», поршневий групою? Наприклад, в реальному часі змінювати ступінь стиснення. Навіщо це потрібно? Відомо, що при високих її значеннях паливо згорає набагато ефективніше. Але є ризик детонації і неможливо використовувати наддув. А ось якщо підлаштовувати ступінь стиснення під режими роботи двигуна ... Теоретичні викладки були запропоновані ще століття тому. Втілити їх у життя з тих пір намагалися багато великих виробників. Пропонували, скажімо, розсувні поршні і шатуни. Влаштовували додаткові поршні, що змінювали обсяг камер згоряння. Пропонувалося навіть зміщувати колінвал щодо блоку циліндрів.

В результаті на легкових моторах першу робочу систему у 2000 році запропонував Saab. 1,6-літровий SVC мав приводний нагнітач і моноблок ( «головку» об'єднану з блоком). У ньому - ексцентриковий вал, який нахиляв циліндри щодо коленвала, змінюючи ступінь стиснення в межах 8: 1-14: 1.

Шведи виготовили ходової прототип, однак до серійного випуску справа не дійшла. Такий почався тільки в кінці минулого року. Ніссанівці на моделі Infiniti QX50 представили «четвірку» 2,0 VC-T (або KR20DDET). Тут так само, як у шведів, був використаний турбонаддув і аналогічний діапазон зміни ступеня стиснення, хоча схему, за рахунок якої змінюється ступінь стиснення, вибрали принципово інший. Її, до речі, ще при СРСР запатентували в нашому НАМИ. Шатун в цьому моторі з'єднаний з коленвалом через коромисло, іншим кінцем пов'язане з ексцентриковим (керуючим) валом. А той, у свою чергу, з електроприводом. Актуатор обертається, повертає проміжний вал, що змінює положення коромисла і знижує або піднімає положення верхньої мертвої точки. Дивіться відео:

У тому ж 2017-го свою розробку запатентувала Toyota. На думку цієї компанії, оптимально досягати зміни ступеня стиснення за рахунок збільшення відстані між поршнем і шийкою клонували. Досягається це за рахунок пристрою замість поршневого пальця ексцентрикового механізму, чиє становище регулюється поршеньком, що виїжджають з тіла шатуна.

Проте поки якось не кинулися автовиробники впроваджувати цю систему. За потужністю що саабовскій (225 к.с.), що ниссановский (268 к.с.) мотори - на рівні звичайних високофорсованих наддувних «четвірок» свого часу. Правда, в Nissan проводять порівняння з VQ35, який він, мабуть, поступово витіснить. І наголошують - VC-T десь на чверть його економічніше. З іншого боку, японців після вступу в альянс з французів не звинуватиш в необґрунтованих витратах. Якийсь інженерний і економічний сенс в цьому є.

Чи існує він в роботі, яку з початку 2000-х ведуть у шведській компанії Koenigsegg, точніше, в підконтрольній фірмі Freevalve, велике питання. Безумовно, Крістіан фон Кенігсегг - власник обох підрозділів - такий собі Ілон Маск, хіба що масштабом поменше. Ентузіазму не позичати, з інженерним потенціалом теж все в порядку. Будував ж суперкари з однойменною назвою, поєднанням маси до потужності в 1: 1 і найшвидшим розгоном до 300 км / ч. Для яких створював версії фордовских «вісімок» потужністю під тисячу і більше «коней». Але зі створенням двигуна без розподілвалів щось не склалося.

Ідея була хороша - замість всього механізму ГРМ впровадити актуатори, які б відкривали / закривали клапани. За вагою та габаритами відразу мінус вся «головка» з вмістом. До того ж при такому принципі роботи як завгодно можна зрушувати фази, імітувати цикли, включаючи двотактний, відключати ті чи інші циліндри. Втім, швидко з'ясувалося, що немає пристроїв, які б оперували клапанами з необхідною частотою. Саме їх розробка і ставиться в заслугу фірмі Кенігсегга. У своїх виробах Freevalve поєднав пневмо- і гідропривід, що нібито дозволило клапанів успішно працювати аж до 10 000 об / хв. Ще в кінці минулого десятиліття на основі саабовскій був створений camfree-двигун - позбавлений розподілвалів агрегат.

За заявами творця, він 30% моментном звичайного, на третину його економічніше і вдвічі екологічніше.

На жаль, з тих пір серійного втілення так і не з'явилося. Автовиробники лише обережно повідомляють про те, що досліджують це питання, на ділі використовуючи десмодромного і бездросельною механізми. Так ось ще британська компанія Camcon Auto спільно з Jaguar і Land Rover розробляє свою IVA - Intelligent Valve Actuation. Так що найближчим до конвеєра досягненням можна вважати співпрацю шведів з китайською фірмою Qoros, за підсумками якого був представлений Qamfree Concept. Його наддувних «четвірка» має об'єм 1,6 л, розвиваючи 240 л.с. і 320 Нм. У неї, за словами творців, на 15% менше витрата палива і на 35% - шкідливі викиди. Той же Кенігсегг говорив про створення серії машин для ходових тестів. Але останні новини про цей проект датовані кінцем 2016 року.

Пара циліндрів і тактів

Що тут сказати, китайці ласі на все нове, перспективне і не настільки досвідчені в інжинірингу. Але, дивись, щось у них і вийде. Автовиробники зі Старого Світу, Японії, США консервативні. Вкрай обережно ставляться до всього того, що руйнує стереотипи щодо звичної конструкції ДВС. Трощити їх - доля невеликих інжинірингових фірм, часто не мають фінансування та потужностей для власного виробництва. Згадаймо роторно-лопатевої двигун, що розроблявся Е-Авто. Або осьової мотор новозеландської компанії Duke Engines (відео нижче).

Але це конструкції, досить далеко пішли від традиційного поршневого агрегату. Вистачає і таких, де за основу взято той же колінвал, шатуни, поршні, однак переглянуті принципи сумішоутворення, горіння, тактность. Ось, наприклад, мотор Кармело Скудері.

Суть в тому, що чотири такту тут розділені на парні циліндри, в одному з яких здійснюється впуск і стиск, у другому - робочий хід і випуск. Пар циліндрів дві, кожна з'єднана між собою каналами з клапанами, за якими стиснута суміш переміщається з циліндра в циліндр. Сам інженер помер незабаром після розробки свого дітища. Справа продовжили сини, що додали мотору балон, який при гальмуванні отримує стиснене повітря (робочий циліндр відключається). На розгоні відключається циліндр стиснення, і повітря надходить в другій саме з цієї ємності. Виходить щось на зразок наддуву. Робочий хід поршні здійснюють на кожному оберті коленвала, а не на кожному другому, як в звичному «четирехтактніков». Творці заявляють про літрової потужності в 135 сил і про менший на 80% зміст у випуску чадного газу і оксидів азоту. На початку нинішнього десятиліття представники Scuderi Group говорили про те, що серійний випуск агрегату - питання найближчих років. І що нібито їм зацікавилися автовиробники, в числі яких Peugeot-Citroen і Honda. Але на даний момент ситуація не змінилася.

До речі, такий тип двигуна отримав назву SCC, Split-Cycle Combustion, з розділеним циклом. По правді кажучи, це не винахід Скудері. Теоретичне обґрунтування подібної роботи з'явилося ще 100 років тому, навіть щось випускалося. В сучасності отримало ось таке продовження. Причому не єдине. Різні компанії розробляли SCC-мотори з різноманітним розташуванням циліндрів. До Split-Cycle потрібно віднести і розробку Джона Заджака, в якій між циліндрами також «розподіл праці», проте горіння паливоповітряної суміші відбувається в окремій ємності, в виділеної камері згоряння.

Повідомляється, що за рахунок повільного згорання суміші та меншою температури вихлоп цього дизеля чистіше і нібито зовсім позбавлений окислів азоту.

Дехто вважає, що не до кінця вичерпаний потенціал двотактного двигуна. Як відомо, в активі у нього висока потужність, в пасиві - чистота вихлопу. Так, мотор американської компанії Grail Engine Technologies при одному циліндрі і обсязі в літр розвиває 200 к.с. і 250 Нм. Двигун Lotus Omnivore вполовину менше - 500 «кубиків». Зате буквально напханий сучасними технологіями - безпосереднє уприскування з двома форсунками, змінна від 10: 1 до 40: 1 ступінь стиснення, а за зміни фаз газорозподілу відповідає клапан в випускному тракті.

Omnivore всеїдний (назва саме так і перекладається) - може працювати на будь-якому паливі. Відповідає за таку здатність принцип займання - HCCI, або Homogeneous Charge Compression Ignition, займання гомогенної (однорідної) суміші від стиснення. Тобто так, як на дизелі, проте з роботою на бензині. HCCI був випадково відкритий в 70-х роках і не міг не привернути увагу. Виявилося, що за певних умов (зростання тиску) підпалювання суміші може відбуватися без участі свічки. Більш того, в камері згоряння виникає багато вогнищ займання, суміш горить швидко, при температурі нижче, ніж при искровом запалюванні, в результаті згорає майже повністю. Що характерно, відкритий процес був саме на двотактному моторі. Проте через більш ніж 40 років, здається, знайде своє застосування на звичайному бензиновому ДВС.

Від свічок і від стиснення. Поки що…

Ми, звичайно, про Mazda. Адже в якийсь момент стало ясно, що всі ці ігри зі ступенем стиснення, а раніше з циклами (хто пам'ятає, фірма випускала мотори, що працюють по циклу Міллера), не можуть не привести до чогось більшого. У всякому разі ведуть ... До HCCI!

Так, поки займання бензину тільки від стиснення у них не виходить - по крайней мере серійно. Але ось вам Skyactiv-X, наступне за Skyactive-G покоління моторів, яке повинно з'явитися в 2019 році. Працює за принципом, названим на Mazda SPCCI, або Spark Plug Controlled Compression Ignition, свічки запалювання, контролюючі займання від стиснення.

Свічки запалювання ще є. Ступінь стиснення збільшена з 14: 1 до 15: 1 - як раз-таки для того, щоб на певних режимах тиск в камерах згоряння «допомагало» іскрі «роздмухувати полум'я». Працює це таким чином: під великим тиском (до 1000 бар, хоча зазвичай у бензинового direct injection тиск раз в 10 менше) в камеру згоряння впорскується кілька порцій бензину. Вони перемішуються з повітрям і підпалюють від іскри - в районі електродів свічки. Цей спалах збільшує тиск в камері, за рахунок чого відбувається самостійне і одночасне запалення суміші по всьому об'єму. Як ви розумієте, це лише проміжний етап. У Mazda все ж збираються на наступної генерації своїх «четвірок» Skyactiv домогтися «безіскрова запалювання». І вже зараз говорять десь про 15% економії палива і зниження шкідливих викидів. При переході на HCCI зниження того і іншого має досягти 30%. А недавно фірма, подібно Mercedes і Audi, повідомила, що в рамках єдиної системи наддуву буде використовувати турбіни на газах і «електрораздув».

До речі, 10 років тому про створення HCCI-двигуна заявляв і Mercedes. 1,8-літрова «четвірка» мала подвійний турбонаддув, змінну ступінь стиснення і розвивала 238 к.с. і 400 Нм при заявленому витраті палива в 6 л / 100 км. Правда, інших подробиць німці не розкривали і якось по-тихому згорнули проект. У всякому разі нової інформації про нього немає. Тепер-то зрозуміло, що мерседесовци рушили по іншому шляху.

А куди піде ДВС? Точно найближчим часом не на звалище історії! Навіть не беручи до уваги різну «екзотику» (яка існувала весь час розвитку автомобілебудування, але ніколи не робила погоди), двигун внутрішнього згоряння не просто має можливості для поліпшення характеристик - якийсь час буде успішно вписуватися в нові реалії завдяки електрифікації та спільну роботу зі стартер-генераторами, системами, запасающими енергію, в рамках гібридних установок. І все-таки дуже хочеться, щоб у маздовци все вийшло. Чи не з ротором, так з HCCI. Погодьтеся, подібна робота від невеликої, по суті, фірми викликає повагу і по справедливості повинна, зобов'язана закінчитися вдало.