Една история за пътя който измина бензиновият мотор през последните 20 години
Преди да се появи терминът „даунсайзинг“ конструкторите смятаха, че (поне частичното) решение на проблемите с ефективността на бензиновия мотор се състои в осигуряване на работата му с бедни смеси. След като BMW и Mercedes създадоха своите агрегати с атмосферно пълнене, съответно N53 и Е35 със свърхмодерната система с впръскване от типа spray guided се оказа ,че не това е решението. За такова бе прието съчетанието от турбо, директно впръскване, намален работен обем и намален брой цилиндри. И все пак именно част от технологиите на тези мотори бяха пренесени в даунсайзинг моторите. Преди това обаче бензиновият мотор премина през различни интересни метаморфози, за които ще ви разкажем тук.
Със създаването на common rail системите от Fiat и развитието на дизеловия мотор творението на Ото сякаш започна да се засенчва от въздесъщия дизелов мотор, който е не само по-икономичен, но и доставя удоволствие зад волана. В началото на века развитието на дизеловите технологии получи тласък, който само за десетилетие стопи цели 23% от дела на бензиновите мотори на европейския пазар.
Всъщност в това няма нищо ново. Един бегъл поглед назад в историята е достатъчен, за да разкрие, че автомобилното производство неведнъж е превръщано в изкупителна жертва на политически и икономически интереси, а моментите на криза нерядко са изигравали ролята на полезен катализатор и ускорител на инвестициите за развитието на технологиите. Типични примери са двете световни войни, петролните кризи, борбата със смога и градското замърсяване в САЩ, Европа и Япония през шейсетте и седемдесетте години - все събития, превърнали се в предпоставка за драстична промяна в отношението на обществото към автомобила и стимул за компаниите в областта да вложат повече средства в създаването и развитието на нови технологии.
В подобна ситуация се намираме и днес, ставайки свидетели на един от най-интензивните периоди в развитието на автомобилната техника. В основата на настоящата технологична еуфория стоят фактори като растящите преди години цени на горивата, а от друга стремежа към реално намаляване на нивата на вредните емисии. Дори с намаляването на цените на горивата нивото им в в Европа си остава високо заради огромното данъчно бреме с което те са натоварени. Въглеродният двуокис и свързаните с него мерки за намаляване на разхода на гориво и адаптация на наличната двигателна база за работа с алтернативни горива и технологии е просто една производна на тези фактори, която очевидно не им отстъпва по важност.
Всяка година в света се произвеждат и продават около 68 милиона леки и лекотоварни автомобила, задвижвани от двигатели с вътрешно горене, използващи (с нищожни изключения) въглеводородни горива. Ако сведем общата химическа връзка „горивна суровина–крайни продукти” от употребата на автомобила до най-същественото, то следва да заключим, че при процеса на окисляване на въглеводородите в цилиндрите на ДВГ се отделят топлинна енергия, въглероден двуокис и вода. Точка! Просто и ясно. За съжаление това е само красива картина на теоретично идеалния случай, която няма място в обективната деиствителност. На практика в тази сметка се намесват малко или повече вредни вещества и съединения като въглероден окис, азотни окиси, чист въглерод и стабилни вторични въглеводорни съединения, получени в резултат от сложните химически взаимодействия при изгарянето на горивото. Последствията от отделянето на повечето от тях в атмосферата се смятат за значително по-опасни от тези на СО2, но междувременно емисиите от тях са овладяни до голяма степен от съвременните средства за обработка на отработилите газове. Или пък не съвсем според последните събития.
Простата логика показва, че намаляване на количеството отделен въглероден двуокис при запазване на разхода на гориво на един автомобил може да се постигне само с промяна на съотношението между всички отделени в процеса на горене вещества, което на свой ред е равносилно на намаляване на енергийната ефективност и на увеличаване на вредните емисии. Разбира се, това е абсолютно неприемливо и води автоматично до ясния извод, че единственият разумен и практически приложим способ за намаляване на отделеното количество CO2 е създаването на енергийно по-ефективни и съответно по-икономични автомобили. Двигателната част на това уравнение пък дефинира основната цел на конструкторите - търсене на възможност за създаване на по-ефективни процеси на горене в ДВГ. С това целите на автомобилостроителите и законотворците в общи линии влизат в хармония и бремето на промените пада на плещите на реални компании с истински имена. Без да ги изброяваме, ще споменем, че „обичайните заподозрени” при осъществяването на технологични пробиви в автомобилната област са няколко елитни марки, работещи в тясно сътрудничество с фирми-поддоставчици с не по-малко богата история, традиции и технологичен потенциал.
Дизеловият двигател се радваше на бурно развитие и растяща популярност през последните 15 години, именно поради оползотворения вследствие на технологичния прогрес потенциал в изброените области.
Към момента развитието на дизеловите технологии изглежда достигна определено ниво на насищане.
Обемът на средствата, необходими за разработка и внедряване на нови технологии от рода на горивните уредби Сommon Rail с наляганe на впръскване над 2000 бара, започва да нараства в нелинейна зависимост по отношение на ползата от прилагането им и напоследък конструкторите се фокусират повече върху екологичните аспекти и обезшумяването на двигателите, отколкото в подобряване на тяхната и без това безпрецедентна към момента ефективност и икономичност.
Това развитие на ситуацията дава добри изходни позиции за компенсиране на пропуснатите ползи и реванш от страна бензиновия мотор. В момента той може да се възползва от перспективната от финансова гледна точка адаптация на вече създадените за подобряване на работата на дизелите технологии и системи, които вече са амортизирали вложените в тях средства и са доказали ефективността си. Постепенното навлизане на тези технически новости естествено доведе до покачване на цената на бензиновите двигатели, но поради принципа и естеството на работните процеси в тях, те във всички случаи ще запазят много по-ниски нива от тези на дизелите. Бързите микропроцесори, разработката и внедряването на пиезоелектрическите инжектори, помпите за високо налягане, турботехнологиите, гъвкавата промяна на фазите на газоразпределение и специфичните за бензиновите двигатели способи за анализ на химическите процеси в горивните камери в реално време промениха изцяло начина, по който хората са свикнали да възприемат двигателя на Ото.
Преди това да стане обаче BMW и Mercedes направиха опит за създаване на конкурентни продукти с бензинови агрегати с атмосферно пълнене, директно впръскване и работа с обеднени смеси при частично натоварване. Благодарение на тях процесите, които от десетилетия се описваха в учебниците по теория на ДВГ като отнесени футуристични технологии, се превърнаха в действителност, носеща реални ползи. Режимът на работа с бедни смеси най-после възприе форма, доближаваща ефективността на бензиновия двигател до тази на дизеловия и способна да доведе до икономии на гориво от мащаба на 20%. Макар че тези постижения на конструкторите определено бяха повод за оптимизъм на фона на отчаянието, което последва неуспехите на технологията GDI на Mitsubishi и първите CGI на Mercedes, при които директното впръскване и режимите на работа с бедни смеси очевидно не бяха достигнали необходимата технологична зрялост и теоретична яснота, те също не просъществуваха дълго.
При тях подходът към директното впръскване и в частност към процесите в режим на работа с обеднени смеси бе коренно различен. Модерните електронни технологии играеха основна роля във формирането на сместа не само в ролята си на управляващо звено на процесите в двигателя, но и с бързодействието и прецизността си в детайлния анализ при лабораторните изследвания. Без тях, както и без лазерните и оптични технологии, даващи възможност за проникване и наблюдение на процесите директно в сърцето в двигателя, невероятно прецизните и гъвкави процеси на впръскване, смесообразуване и запалване днес нямаше да бъдат реалност. В тези области на съвременното двигателостроене спокойно може да се говори за революционни пробиви – съвсем не е случаен фактът, че почти едновременно създадените от Siemens VDO и Bosch пиезоинжектори спечелиха редица престижни признания и награди, както не е случайно и обстоятелството, че именно те са един от основните фактори, направили възможно конструирането на споменатите бензинови двигатели с директно впръскване от ново поколение на BMW и Mercedes.
Най-новата история на бензиновите двигатели с директно впръскване започна с пионерските стъпки на Mitsubishi преди около две десетилетия, но по принцип идеята не е никак нова.
Още със създаването на първия ДВГ, работещ с хомогенни смеси, Ото замисля и версия работеща с бедни смеси, която по разбираеми причини така и не се реализира на практика. Прочути инженери като Хеселман и Рикардо експериментират с четиритактови мотори с разслояване на заряда още в началото на ХХ век, но поради техническата сложност на осъществяването на тази идея тя е изоставена за дълъг период от време. При внимателно изследване на историята могат да се открият някои експериментални и дори серийни двигатели през 70-те и 80-те години – типичен пример в тази насока е интересното решение на японските инженери с тяхната технология CVCC използваща специален карбуратор, предкамера с богата смес и основна горивна камера с бедна смес за постигане на ниска консумация и емисии. Подобно е и решението на руските конструктори, осъществено в карбураторния двигател на Волга ГАЗ 3102 под формата на т. нар. „форкамерфакелно запалване”. Въпреки че теорията приписва очевидни предимства на схемите за организация на горивните процеси от подобен род, в миналото никой не успява да се възползва от тях поради необходимостта от сложен контрол на процесите, неосъществим при наличното технологично ниво. Постепенно в техническите среди изкристализира схващането, че решението следва да се търси в директното впръскване на гориво в камерата, но през в цялата история на двигателосторенето са създадени нищожен брой подобни бензинови агрегати. Със системи за директно впръскване са оборудвани още двутактовите двигатели на Goliath и използващите модифицирани дизелови помпи за високо налягане четиритактови спортни мотори на Меrcedes през 50-те години на миналия век. Всички те обаче имат друго предназначение и не търсят ефективност на работата с бедни смеси.
Възможността за организиране на работа с обеднени смеси и създаването на хомогенни зони около свещта позволяват на бензиновия двигател да елиминира загубите при пълнене с възможността за работа с широко отворена дроселова клапа, а директното впръскване на гориво в камерата охлажда свежия въздух (а не клапаните и цилиндровите стени както при моторите с впръскване във всмукателните колектори), повишавайки термодинамичната ефективност и способствайки за постигане на по-висока степен на сгъстяване, с което ефективността се повишава допълнително. И това далеч не са единствените предимства.
Първите реално внедрени в серийното производство опити на Mitsubishi през 90-те години са последвани и от разработки на други компании като Toyota, Renault, PSA и VW, които обаче не се оказат много по-ефективни от впръскването във всмукателните колектори въпреки по-високата си цена. При някои от тях има и сериозни проблеми с надеждността. Причините за провала на тези първи проекти, състоящ се преди всичко в незначителното снижаване на разхода на гориво в сравнение с конвенционалните системи на смесообразуване са от най-различно естество – от високото съдържание на сяра в бензините, през недостатъчно високото ниво на микропроцесорните технологии по това време до някои конструктивни неудачи като решението за създаване на богата зона около свещта с използване на челото на буталото като отразяващ екран за сместа, насочвана от всмукателен колектор.
При двигателите N53 на BMW и E35 на Mercedes, за които споменахме по-горе (съответно 3,0 и 3,5 V6 агрегати), подходът към режима на работа с бедни смеси е коренно различен и на практика неосъществим без прилагане на съвременни помпи с високо налягане, пиезоелектрически инжектори и гъвкав контрол на впръскването, запалването и газоразпределението, осъществяван с помощта на бързодействаща електроника. Както ще видим в предстоящата поредица от материали по темата обаче, новите бензинови мотори се сблъскаха и с нови проблеми, които досега бяхме свикнали да отнасяме към природата на... дизеловия двигател.
(следва)
Текст: Георги Колев