CDI срещу CGI. Това бе началото, бензиновият мотор почна да си връща загубени територии
CDI срещу CGI. Дори и при внимателно взиране в схемите на конструктивните решения на двете системи бихте помислили че става дума просто за игри с буквите. Но това бе началото, с което бензиновият мотор започна да си отвоюва загубени територии.
Преди десетина години главният двигателист на Audi Волфганг Хац каза, че „разходът на гориво на новото поколение бензинови двигатели ще е значително по-нисък от този на сегашните двигатели с впръскване във всмукателните колектори”, а до 2009 година гамата от двигатели на марката ще се състои почти изцяло от такива агрегати. Разбира се, директното впръскване е само един от компонентите в това развитие, а системите използвани от при Audi и другите марки на концерна VW се превърнаха в основа за съвременната даунсайзинг стратегия. По това време обаче BMW и Mercedes все още смятаха, че атмосферният мотор с директно впръскване и реализиране на горене с бедни смеси има значително по-голям потенциал за икономии и създадоха два такива високотехнологични агрегата – съответно N53 и Е35. И двата вече не са в производство, но е интересно да се разкаже за тях защото те бяха интересен страничен еволюционен клон в развитието на бензиновия мотор, от който даунсайзинг моторите наследиха технологични решения.
Ако се върнем малко назад, ще видим, че в сърцевината на този съществен обрат на събитията в полза на бензиновия двигател стояха няколко много важни неща. Както казахме и в предишните части на поредицата ни особено важен в този аспект е преносът на технологии от страна на дизеловите двигатели – най-вече развилите се благодарение на тях пиезотехнологии, турбокомпресорите и мощните микропроцесори за управлението им. Развитието на системите за контрол на турбокомпресорите доведоха до толкова блестящи резултати, че кривите на въртящия момент на бензинови агрегати заприличаха на плато, но за разлика от това при турбодизеловите – с доста широка равнинна част, започваща от най-ниските оборотни режими и достигаща до над 5000 об/мин. Такива дизелови двигатели просто няма. Към туброто ще се добавят и различните системи за промяна на фазите на газоразпределение, превръщайки се във важна част от утвърдилата се даунсайзинг философия.
Разбира се, очевидно бе защо стойността на бензиновите двигатели нарасна и това бе особено ярко изразено още преди ерата на даунсайзинга с появата на гореспоменатите атмосферни мотори работещи с обеднени смеси поради цялостната им сложност и необходимостта от допълнителни устройства за преработка на азотните окиси – нещо присъщо дотогава само на дизеловите машини. От друга страна обаче те не се нуждаеха от доста скъпите филтри за твърди частици и по-лесно покриваха предстоящите за въвеждане тогава норми Eвро 5.
В мощен ускорител на бензиновите технологии се превърнаха и петролните компании. Безмилостната конкуренция в този бизнес спомогнаха за безпроблемно поемане на бремето на инвестициите в изследванията за повишаване на качеството на горивата. Скъпите процеси на „прочистване” на бензините от сяра и повишаването на октановото число с помощта на високотехнологични методи вече не са проблем, а те играят съществена роля в повишаването на ефективността на бензиновия мотор. Още едно съществено предимство на бензиновият двигател пред дизеловия също е свързано с горивата – именно неговата концепция на работа предполага функционирането му с най-актуалните алтернативи като втечнен петролен газ, природен газ и биоетанол.
Директното впръскване трайно се утвърди в бензиновите мотори, дори в по-популярните сегменти макар и с по-евтини електромагнитни инжектори. BMW успя да комбинира директно впръскване със своята система за управление на хода на клапаните вместо дроселова клапа, от Toyota и Fiat демонстрираха потенциала си с подобните системи Valvematic и Uniair (последната със хидравлично задвижване на клапаните), които също могат да се комбинират с директно впръскване.
Така преди да достигнат до убедеността че средството за намаляване на разхода при бензиновите мотори се нарича „даунсайзинг“ и след десетилетия технически изследвания конструкторите сведоха концепциите за реализация на системите за директно впръскване и (възможност) за разслояване на заряда до три (виж допълнението).
Контролът на процесите в тези агрегати обаче бе изключително сложен и изискваше няколко пъти по-голям капацитет на микропроцесорните системи – не само за да бъдат обработени допълнителното количество данни, но и за да управляват много по-сложни и гъвкави процеси на впръскване, смесообразуване и пълнене. Именно заради сложността на процесите няколко години BMW отказваше да се приобщи към идеята за директно впръскване, поне що се отнася до начина по който го направиха в края на 90-те Mitsubishi и Mercedes при първото им поколение (т.н. wall guided процес). Както казахме алтернатива баварците създадоха системата Valvetronic където дроселовата клапа е заменена със променлив ход на всмукателните клапани. Като междинен етап решението им очевидно бе правилно – междувременно Mercedes и Mitsubishi се отказаха от този начин на директно впръскване. След това BMW и Mercedes тръгнаха по нов път и съвместно със, съответно Siemens VDO и Bosch създадоха системи функциониращи съгласно далеч по-ефективния spray guided процес – нещо което не можеше да се случи без помощта на пиезоелектрическите инжектори. Марките от концерна VW и най-вече Audi, които разполагаха с още по-голяма гама от FSI-агрегати подхождаха по различен начин към реализацията им като използваха комбинация от два процеса – wall guided и air guided при което обогатената зона около свещта се оформя като резултат от сложни взаимодействия чрез подвеждане от страна на челото на буталото и прецизно проектираните въздушни вихрови потоци.
Mercedes 350 CGI
Всъщност съвместната работата на инженерите от Щутгарт и тези от Bosch в областта на пиезотехнологиите отдавна е факт. След като се превърнаха в съществена част от възродителния процес на дизеловия двигател, те бяха преведени и на езика на бензиновия мотор. Ако трябва да сме точни превода обаче е доста свободен. Пиезоинжекторите използувани във вече спрения от производство бензинов шестцилиндров двигател Е35 на компанията и имплантиран първоначално в модела CLK 350 CGI действат по доста различен начин от тези при дизеловия. Въпреки че марката с трилъчевата звезда премина изцяло към даунсайзинг агрегати е интересно да разкажем за тази машина защото, както казахме, именно тя постави началото на впръскването с централно разположен пиезоинжектор.
Налягането, с което функционира е 200 бара, но на практика са му делегирани по-сложни изпълнителски функции, като пиезоелементите задвижват специален щифт с помощта на който се определя формата на потока който преминава през дюзата. Това е единственият начин да се създаде необходимата прецизна форма на кух конус на облака от впръскано гориво. Контурът му се очертава след преминаването през насочен навън отвор с размер от само няколко микрона. Благодарение на налягането от 200 Бара въпросната форма остава непроменена дори и при широко отворени фази на системата за променливо газоразпредение, контролът на които от своя страна е делегирана на мощната електроника Bosch MED7. За разлика от системата GDI, второто поколение CGI на Mercedes не преминава рязко от фаза на работа с бедни смеси към хомогенни, а плавно увеличава количеството на горивото, като същевременно увеличава и броя на впръскванията. Отново благодарение на високото налягане, още с формирането на въпросния конус се създава слой готов за запалване, а за стабилизирането на формата му спомагат и турбулентните процеси в долната му част. Позицията на пиезоинжектора е в центъра на горивната камера – там където обикновено се намира запалителната свещ, която от своя страна е поставено под наклон встрани от инжектора, към изпускателните колектори, във възпламеняемата смес на гореспоменатия конус. Мястото и е установена прецизно след множество изследвания – тя трябва са намира в края на гориво-въздушния облак без да бъде в директен контакт със течни частици - в противен случай би се покрила със сажди. За да бъде гарантирана оптимална температура на запалителните свещи и инжекторите е конструирана сложна охладителна система с кръстосан воден поток, чиято циркулация за разлика от конвенционалнитете двигатели напълно се изключва при студен двигател, осигурявайки бързо достигане на работна температура.
Благодарение на цялата тази съвкупност е конструктивни решения инженерите от Mercedes и Bosch са успели да създадат система която работи в режими на обеднени смеси в много по-широк диапазон от досегашните. Дори и при скорост от 120 км/ч CLK 350 CGI продължава да функционира в такъв режим и чак след това преминаваше към хомогенно пълнене. Благодарение на пиезоелектрическите инжектори може да бъде извършено няколкократно впръскване спомагащо за подобряване на термодинамичната ефективност, а ефективната помпа за високо налягане осигурява стабилното му ниво от 200 Бара дори по време на впръскването. Тъй като при тези условия то се нагрява значително, за охлаждането му се грижи свързан със охладителната система топлообменник. Подобно устройство охлажда и силно натоварената микропроцесорна система за управление.
За ограничаване на нивата на вредните емисии също се грижи сложна система – като начало до 40% от отработилите газове могат да се върнат обратно в цилиндъра при работа в режим на обеднени смеси за да се намали склонността към образуване на азотни окиси, следват два катализатора с отделни ламбда сонди и два акумулиращи азотните окиси катализатори. Последните ги абсорбират, а по време на кратките регенериращи цикли осигуряват химическата им реакция с останалите газове така че крайният продукт да бъде чист азот. Към цялата съвокупност от технически решения се добавят и сложната система за промяна на фазите на газоразпределение, всмукателни колектори със променлив контур, охлаждаща система с електронен термостат. Резултатът от всичко това може да се опише нагледно - CLS 350 CGI който има мощност с двайсет конски сили повече от CLS 350 и среден разход от 9,1 л – с 1,5 литра по-малко.
Сравнение на различните концепции за директното впръскване.
Впръскването във всмукателните колектори и директното впръскване се реализираха чрез доста различи технологични концепции. При индиректното впръскване налягането достига едва 3-4 Бара, а горивото „облива” всмукателните клапани. При стартиране на студен двигател част от нея не се изпарява и е необходимо сместа да се обогатява, а това увеличава разхода на гориво и вредните емисии. При директното впръскване няма директен допир на горивото със стените, количеството му може да се регулира по-прецизно, а високото налягане осигурява значително по-добро изпарение и смесване. Към позитивите на директното впръскване се добавят и намалените загуби при пълнене, особено в режимите на частично натоварване и работа с бедни смеси (поради работата с широкоотворена дроселова клапа), намалените топлинни загуби и подобрената обемна ефективност поради охлаждането на обема на камерата. Това позволява повишаване на степента на сгъстяване и увеличаване на ефективността (дори и при работа само с хомогенни смеси). Отпада нуждата от обогатяване при ускоряване и максимално натоварване, по-прецизен е контролът на дозирането на горивото, намалени са емисиите на въглеводороди и има значителен потенциал за бъдещо развитие и оптимизация. От друга страна тези предимства се реализират с преодоляването на огромни предизвикателства заради комплексния контрол на работата с бедни смеси, сложността на впръскването, необходимостта от нови концепции за преработката на отработилите газове при работа с бедни смеси и високата цена на системите.
При реализацията на последните конструкторите са достигнали до три различни подхода. При така наречения spray guided процес което в свободен превод ще означава „подвеждан от впръсканата струя” инжекторът се намира в централна позиция, а формираният от него облак се докосва до свещта. Такова е решението използвано от BMW и Mercedes. В другите два случая инжекторът е разположен встрани, съосно на всмукателния канал, а впръсканото гориво се насочва към свещта или с помощта на челото на буталото (wall guided, използувана от спрения от производство 1,8 литров компресорен мотор 200 CGI и Mitsubishi GDI) или с помощта на сложно организирани турбулетни потоци – air guided (в своите FSI двигатели VW реализара комбинация от тези две системи).
Първата от тези три системи има най-голям потенциал, но е и най-скъпа. От друга страна системата FSI в повечето случаи не използва подобни режими, а при работа с хомогенна смес впръскването на всички се осъществяват още по време на всмукателния такт.
(следва)
Текст инж. Георги Колев