Преглед на пътя пред двигателя с вътрешно горене.
Технологичното развитие на акумулаторните батерии през последните няколко години получи огромен тласък, а инвестициите в тази област набъбват с всеки изминат ден. И все пак светлите хоризонти пред задвижваните от батерии електромобили вече не са толкова ярки, броят им дори в развитите и богати автомобилни пазари остава нищожен на фона на общия автомобилен парк, а според повечето прогнози дори в страни като Германия относителният им дял през 2020 година няма да надвишава 3 процента. Всички специалисти са категорични, че в близко бъдеще двигателят с вътрешно горене ще продължи да бъде лидер в задвижването на автомобилите. Притиснати обаче от високите цени на горивата, от една страна и законовите ограничения на емисиите на въглероден двуокис, от друга, производителите продължават дългия и изнурителен процес на въвеждане на нови технологии за намаляване на разхода на гориво, фокусирайки усилията си главно върху задвижването. Европейската комисия е постановила за 2015 година ограничение на емисиите на въглероден двуокис за автомобилната гама на производителите до средно ниво от 130 г/км, стойност която е с 11 процента по-ниска от нивото от 146 г/км CO2, постигнато в европейски мащаб през 2009 г. През 2020 г. нивото на този парников газ трябва да бъде сведено до 95 г/км, което вече е с цели 35 процента по-ниско от това през 2009 г. Още по-амбициозните намерения са през 2025 г. изискванията за средното ниво на емисиите да бъдат снижени до 70 г/км. Последната стойност съответства на разход на гориво при бензиновите мотори от около три литра, а при дизеловите – от едва 2,6 литра на 100 км. Дори и днес, въпреки яснотата в посоките на развитие на автомобилните технологии, подобни числа изглеждат като утопия. Изискванията в САЩ са за по-малко драстичните 5 литра на 100 км, което също е доста ниска стойност предвид тамошните обичаи и философски поглед към автомобилите.
Доза оптимизъм
На практика обаче автомобилните инженери, тоест хората, които са най-наясно с възможностите за развитие на технологиите и от чиято практическа дейност зависи този процес, са оптимисти. Според Юрген Герхард, шеф на развойната дейност на Bosch, стойността от 95 грама въглероден двуокис е напълно постижима, при условие обаче, че се приложи поне частично хибридизиране на задвижването. Разбира се, тези твърдения са много условни, тъй като тук става дума за гранични стойности, които биха могли да бъдат прогнозирани на базата на днешното ниво на технологично развитие. Отвъд него бъдещето на дизеловия и бензиновия двигател става все по-хипотетично и процесът на по-нататъшното стъпаловидно електрифициране на автомобила е напълно неясен. Агенцията за опазване на околната среда в САЩ е установила, че в краткосрочен план мерките по намаляване на консумацията на гориво ще оскъпят автомобилите с между 2000 и 12 000 долара, което ще доведе до преразходи от порядъка на 157 милиарда долара – тази сума обаче е значително по-ниска от спестените поне 515 милиарда долара поради по-ниския разход на гориво.
Ако се върнем към реалностите на настоящето и възможностите за непосредственото бъдеще, в което основни играчи на сцената в автомобилостроенето са класическият бензинов и дизелов агрегат, ще установим, че според пазарните сценарии в Европа през 2020 г. съотношението между тях ще бъде 50:50. Следователно и при двата типа мотори инженерите ще трябва да направят всичко възможно за подобряване на параметрите им по отношение на разхода на гориво. В основата на тези промени стои повишаването на ефективността, един от изразите на която е специфичният разход на гориво за всеки киловат, респективно конска сила. Графиките за специфичния разход на двигателите ясно показват, че зоните, в които ДВГ са най-ефективни, тоест използват най-малко гориво, за да генерират въпросната конска сила (стойността на оборотите по хоризонталната и на въртящия момент по вертикалната ос) са един много малък диапазон, или зоната от около 1500 об./мин до 3000 об./мин и малко под максималното натоварване (респективно въртящ момент). Работата на двигателя в тази зона на ефективност се изразява в така нареченото „повишаване на работната точка” в посока по-висок въртящ момент и по-ниски обороти. По тази причина при един и същ начин на функциониране на двигателя по-малкият като работен обем мотор работи в режим на по-високо натоварване и следователно е по-ефективен. Именно това е основната цел на прилагането на пълнохибридни системи като тази та Toyota Prius – благодарение на сложната взаимовръзка между ДВГ и електрическите мотор-генератори системата съумява да балансира работата на двигателя във въпросния тесен, но значително по-ефективен работен режим. В случая регенерирането на енергия и изключването на двигателя при работа на празен ход носят само допълнителни ползи.
Турбокомпресорите
В същият контекст и без наличие на хибридна система намаляването на работния обем и броя на цилиндрите на двигателя води до намаляване на триенето и топлинните загуби. Това е посоката на логиката при раждането на философията на даунсайзинга – по-малък работен обем, но достатъчно мощност, постигната с помощта на модерна система за турбопълнене. Разбира се, в режим на частично натоварване отново стои проблемът с притворената дроселова клапа, която оказва съпротивление на въздуха, а налягането след нея намалява. Не бива обаче да забравяме, че докато при големия мотор без принудително пълнене налягането пред дроселовата клапа е близко до атмосферното, а след нея то силно спада в зависимост от степента на отваряне, то при турбомотора и в двата случая благодарение на турбокомпресора се създава високо налягане, като динамиката на въздушния поток намалява загубите при процеса на пълнене. Тук трябва да споменем и самия турбокомпресор като устройство – разширяването на гамата от даунсайзинг продукти при всички марки неминуемо води до нарастване на инвестициите, а компаниите, които навлизат в тази област, растат със значителни темпове. Bosch и Mahle например създадоха съвместно предприятие за развойна дейност и производство на компактни и леки агрегати за модерните даунсайзинг мотори, в играта се включиха и компании като Continental. В името на по-бързата реакция на турбокомпресора и респективно на мотора, агрегатите за бензиновите двигатели в много от случаите са с двуструйна конфигурация, която спомага за разделяне на пулсациите на газовете от отделните цилиндри и по-ефективно използване на кинетичната им енергия. Компании като Valeo и BorgWarner Turbo Systems пък вече патентоваха системи за турбокомпресори с допълнително електрическо ускоряване и с възможност за генериране на електроенергия от отработилите газове. Освен това бензиновите двигатели вече по правило са с директно впръскване, което в съчетание с адаптивното променливо газоразпределение позволява по-продължително припокриване на фазите на клапаните, тоест по-дълго едновременно отваряне на всмукателните и изпускателните клапани – така цилиндрите се „продухват” от отработилите газове и намалява склонността към детонации на горивото поради по-високата степен на сгъстяване в тези мотори. В добавка директното впръскване осигурява вътрешно охлаждане в цилиндъра и намаляване на работната температура на процеса. Това е особено важно в режимите на максимално натоварване (линията на максимален въртящ момент), при което не са налага обогатяване на сместа и съответно повишаване на консумацията на гориво. Дюзите с множество отвори осъществяват по-равномерно разпрашаване на горивото и впръскване както по време на такта всмукване, така и при сгъстяването. Системите за директно впръскване продължават да се развиват, а съвременните електронни устройства за управлението им разполагат с необходимия потенциал за адекватен контрол, който изисква много по-сериозна компютърна мощ от досегашните системи с впръскване във всмукателните колектори. Въпреки че конструкторите засега се отказаха от възможността да се използват бедни смеси при частично натоварване, директното впръскване е важен компонент, като има и съществено значение за постигане на висок въртящ момент още при ниски оборотни режими (така наречения даунспийдинг), който може да се оползотвори с подходящи предавателни числа или стратегия при автоматичната предавателна кутия.
Всичко се смалява
Въпреки че дизеловите двигатели поради естеството си на работа с ниски оборотни режими, бедни смеси и по-ниска температура на отработилите газове отдавна се ползват от услугите на турбопълненето, темата с даунсайзинга не е изчерпана и при тях. Тук на помощ идва пълненето с високо налягане, като все по-често за целта се използват каскадни системи с активно междинно охлаждане. Важна роля и при тези агрегати ще играе системата за впръскване на гориво, чието налягане вече достига 2500 бара, осигурявайки по-добро смесване с въздуха, по-висока мощност и ефективност. Показателна за потенциала по отношение на ефективността на дизеловия двигател е новата гама Skyactiv-D на Mazda, при която значително са намалява геометричната степен на сгъстяване (14:1) за сметка на пълненето с високо налягане. По-ниската температура на въздуха в края на такта сгъстяване позволява по-бавно и по-хомогенно смесообразуване, по-равномерно развитие на налягането в горивния процес със значително по-ниски пикови стойности и по-ниска температура. По този начин двигателят достига ниво на емисии Euro 6 без системи за допълнително обработка на газовете, има значително по-леки движещи се компоненти и по-нисък с 20 процента разход на гориво.
Задачата за редуциране на работния обем включва и намаляване на броя на цилиндрите – по правило в Америка от осем на шест, а в Европа от шест на четири и от четири на три. Като пример за последното може да служи трицилиндровият бензинов 1,2-литров двигател на Nissan Micra, при който японските инженери не само са намалили броя на цилиндрите, но са прибягнали до използване на механичен компресор и цикъл на Милър, повишавайки ефективността на двигателя. Намаляването на емисиите на въглероден двуокис до 115 г/км, от своя страна обезсмисля въвеждането в гамата на новата Micra на дизелов мотор. Очевиден случай на екстремен даунсайзинг са бензиновите трицилиндров 1.0 Еcoboost на Ford и 1.0 SIDI Turbo на Opel , в който всеки от цилиндрите има обем от едва 330 см3. Инженерите на отчитат особената от факта, че трицилиндровият двигател има фази на газоразпределение, изключително благоприятни от гледна точка на динамиката на отработилите газове. Тяхната кинетична енергия може да се използва оптимално, без за целта да е нужен двуструен турбокомпресор. Най-крайни обаче в целия този процес са конструкторите от Fiat, които са намалили броя на цилиндрите до два, а работният обем на TwinAir е едва 875 см3.
Принципът за установяване на по-висока работна точка при двигателите се използва вече и от европейски производители, след като GM отдавна въведе тази технология в своите осемцилиндрови мотори. Но докато интегрирането на системата във V8 агрегати, като тези на AMG-Mercedes (5,5 л) и Audi (4.0 TFSI), е логично, използването на принципа в четирицилиндров мотор е истинска новост. Всъщност инженерите на VW са били улеснени от колегите си от Audi, тъй като използват същата система за управление на клапаните и съответно деактивиране на част от цилиндрите. Работата само с два активни цилиндъра позволява тяхното функциониране с по-широко отворена дроселова клапа при частично натоварване и намалява разхода на гориво със средно 0,4 л/100 км, а при постоянна скорост дори и повече.
Наличието на турбокомпресор обаче не променя по никакъв начин факта, че ефективното пълнене на двигателя зависи в голяма степен от фазите на газоразпределение. Преди доста години пионери като Honda очертаха посоката на промените, създавайки различни като технологично решение, но еднакви като смисъл системи за промяна на фазите и хода на отваряне на клапаните, подобрявайки не само характеристиките на въртящия момент, но и управлението на мотора. Някои системи, като Valvetronic на BMW (променяща хода на клапана и работеща в съчетание с системата за промяна на фазите Vanos), използваха възможността по този начин да регулират дебита на въздуха за пълнене. Пример за смисъла от подобно решение са двигателите N54 и N55 на BMW. Двата турбокомпресора на първия мотор са заменени с един двуструен и е добавена система Valvetronic. Коренно различната динамика на въздушния поток във всмукателните колектори и по-високото налягане в тях поради липсата на дроселова клапа позволява по-бърза реакция при подаване на газ и по-ниски загуби при пълнене. Почти всяка марка, създаваща високотехнологични продукти, има свои решения в тази област, а и фирми за развойна дейност и поддоставчици също излизат с готови предложения – подобни като действие са Univalve на KS и CaminCam на Mahle. Най-напредничави в това направление обаче са инженерите на Fiat, които нерядко създават технологии, изпреварващи по своя замисъл разработките на далеч по-високотехнологични компании. Системата MultiAir изцяло елиминира вала, задвижващ всмукателните клапани, като за целта използва хидравлични повдигащи елементи за високо налягане, с чиято помощ се осъществява гъвкаво отваряне на клапаните. Това е още една стъпка към въвеждането на изцяло независимо управление на всеки клапан с помощта на електромагнитна система. Скъпата на този етап технология може да промени изцяло философията на пълнене и се очаква да бъде въведена с достигането на все по-високо ниво на електрификация и създаването на по-евтини електромеханични компоненти.
Системите за управление на клапаните вече се прилагат и при дизеловите мотори. Двигателят Skyactiv-D на Mazda например е с променливо управление на изпускателните клапани и има за цел задържане на част от отработилите газове в цилиндъра, повишаване на температурата на процеса и на газовете с цел по-бързо активиране на системите за обработка. За гъвкавото управление на двигателя вече си използват интегрирани в подгревните свещи сензори, измерващи налягането в цилиндрите. Информацията се подава към бързи процесори, които адаптират впръскването в зависимост от условията. Типичен пример за това са дизеловите мотори на GM, използвани в Opel.
Сред останалите елементи в уравнението за намаляване на разхода са новите системи за термомениджмънт на двигателя, включващи деактивиране на електрическата водна помпа в процеса на загряване на мотора, разделяне на охладителната система на два отделни кръга (за главата и за цилиндрите), интегрирани в главата изпускателни колектори, както и генератор, който зарежда батерията (или кондензаторите, например при системата iEloop на Mazda) по време на спиране на автомобила. Все повече агрегати (като водна, маслена помпа и компресор на климатика) се задвижват от електромотори, за да се управляват по-гъвкаво чрез електроника. Своя немалък принос в енергоспестяването имат и механични елементи, като буталните пръстени, кобилици и повдигачи с намалено триене.
С развитието и разпространяването на посочените технологични решения целите за намаляване на разхода на гориво и емисиите с 30 процента стават напълно постижими, а добавянето на хибридни компоненти би намалило тези показатели с поне още десет процента. Постигането на разход с наполовина намалена стойност обаче ни би могло да се осъществи без драстични промени в цялостната концепция на автомобила и двигателите – например посредством двигатели с хомогенно пълнене и самовъзпламеняване (HCCI) или допълнителни системи за оползотворяване на топлинната енергия на охладителната система и газовете, каквито в момента се експериментират от BMW и някои производители на товарни автомобили. Но това вече е друга история.
Текст: Георги Колев
Юлиян
Атмосферните дизелови двигатели са без дроселна клапа.Те са икономични и според днешните стандарти-особено на празен ход, а той е значителен в градски условия.Да те са димни и тромави но без дроселна клапа.