Продължаваме поредицата за развитието на директното впръскване в бензиновите мотори
Конструкторите на двигатели на VW и Audi отдавна са известни като своенравни и широкоскроени изобретатели, които никога не са ограничавали поривите на своя импровизаторски дух. Това бе валидно дори, когато фирмите бяха самостоятелни, а когато инж. Фернинанд Пийх пое царския жезъл технологичният дух бе издигнат в култ. В този контекст на нещата едва ли бихме учудили някого с констатацията на факта, че въпросното обединение е след лидерите в създаването на свърхмодерни двигателни конструкции и дори с още по-категоричното твърдение, че VW и Audi са най-големите радетели на системите за директно впръскване на бензин. Именно тези компании превърнаха въпросната модерна технология в едросерийна.
След въвеждането в производство през 2001 г. на 1,4 литровия FSI, последваха атмосферен 1,6- и двулитров агрегат, след това 2,0 TFSI замени петклапановия 1,8 Turbo, последваха версии с директно впръскване на 3,2 литровия V6, негова разновидност с 2,8 литров обем, ново поколение 1,8 TFSI, 1,4TSI и 4,2 FSI V8 и т.н. В своята същност всички агрегати на концерна използваха единно конструктивно решение позволяващо работата им с бедни смеси. Вярно е, че въпросният режим в много от случаите бе ампутиран при настройката на софтуеъра на електрониката или работеша с ограничен капацитет. Това се дължеше на високото съдържание на сяра в горивата, предлагани на много от пазарите, а понякога той просто не бе нужен – като например в Audi R8. След създаването на тази хитроумна технология агрегатите с директно впръскване се използват от всички модели на концерна. В това няма нищо случайно, защото корените им могат да бъдат открити именно в разработките на баварските инженери от Инголщат, и по-точно в дебрите на култовата надпревара на Льо Ман.
Характерът на болидите в това състезание е далеч по-близък до този на реалните автомобили от свърхтехнологичните возила от Формула 1. За едно денонощие един прототип от Льо Ман изминава разстояние от над 5000 км, които автомобилите от царицата на моторните спортове покриват за цял сезон. Надежността им се гарантира и от ограничената чрез рестриктори на всмукателните клапани и налягането на турбокомпресорите мощност.
През 1999 г. конструкторите от Audi смятат, че са достигнали предела в потенциала на „конвенционалните” двигатели по отношение на повишаването на мощността и намаляването на разхода на гориво в рамките на правилата. Затова са убедени че за да създадат двигатели с по-благоприятни характеристики трябва да изнамерят някакава нова, коренно различна в своята същност технология. Тъй като не разполагат с достатъчно време и средства за създаване на изцяло нова разработка на двигател, те решават да тръгнат по друг път. До този момент максималните параметри на двигателя, използуван в болидите на компанията в Льо Ман, са в рамките на 700 Нютонметра и 610 к.с., като 70% от дължината на пистата се изминава с пълна газ.
Конструкторите смятат, че последното е добра предпоставка за използване на директно впръскване, което при максималното натоварване охлажда вътрешно обема на цилиндъра подобрява смесообразуването и позволявайки използуването на по-високи степен на сгъстяване и съответно постигане на по-висока ефективност. На този първоначален етап възможността за работа на машината с бедни смеси е отхвърлена поради малките периоди на частично и слабо натоварване. Конструкторите на двигателя обаче не забравят нито за миг че идеята за създаването на тази стратегическа технология далеч няма да се ограничава само в скъпите прототипи. На нейна база трябва да бъде създаден процес, който да бъде копиран и разширен като възможности и реализиран с възможно най-малко модификации в серийните автомобили.
Всички технологични решения, реализирани от този момент нататък са продиктувани от необходимостта за следване на базовата архитектура на вече наличните конструкции на състезателните двигатели – горивната камера трябва да остане същата, главата да не променя своята четириклапанова конфигурация в комбинация с почти плоско чело на буталото, а положението на инжектора, налягането на впръскване, охлаждането му, ъгъла и формата на впръскващата струя трябва да са съобразени с тези базови параметри.
Конструкторите успяват да напъхат инжектора между наклонените под 45 градуса всмукателни колектори и да го позиционират паралелно на тях, за да организират прецизно процеса на смесване на въздушната и горивната струи и да не позволяват допира на сместа до стените на цилиндъра. Тъй като инжекторите не могат да впръскват гориво по време на целия цикъл на работа на двигателя както е при предишните системи, дебитът им е над три пъти по-голям от конвенционалните, а към управляващата електроника Bosch MS 2.9 са добавени допълнителни периферни управляващи устройства и са увеличени софтуеърните им възможности.
Налягането на впръскване е 110 бара, а след множество екперименти с бутала с различни форми е създадена изцяло нова генерация, позволяваща комбинирането на висока степен на сгъстяване с широки фазите на газоразпределение без опасност от допир с клапаните. Трудностите са много, а голяма част от проектантското бреме е поето от инженерите на Cosworth Technology и Bosch, които трябва да изградят процеса от нулата, с помощта на интензивни компютърни симулации. При този вид впръскване оформянето на траекторията на всмукания в цилиндрите въздух е от много съществено значение тъй като при повишаване на оборотите и натоварването значително се променяат условията на формиране на горивните капки, изпаряването и смесването им с въздуха. Дори при липсата на режим на работа с бедни смеси геометрията на горивната струя и формата, посоката и скоростта на въздушната струя и сместа се се оказват изключително невралгична зона на взаимодействие.
За да сравнят резултатите от новата система и тази, с която е оборудван победителят от 2000 година - R8, конструкторите монтират две паралелни системи за захранване – с впръскване във всмукателните колектори и с директно и установяват че във втория случай могат да си позволят да увеличат степента на сгъстяване до 12:1 (феноменална стойност за бензинов двигател обзаведен с турбокомперсор с високо налягане на пълнене) и въпреки това да намалят температурата на отработилите газове с цели 50 градуса. Тестовете оправдават надеждите и потвърждават очакваните предимства – при ускоряване не се налага обогатяване на сместа поради опасност от детонации, двигателят реагира по спонтанно при смяна на предавките, подаването на гориво става много по прецизно, а разходът намалява. Обнадеждени от сигурната работа на двигателя те решават да добавят към електроника и режими за работа с бедни смеси каквито все пак са предвидени още при разполагането на инжекторите. Окончателните резултати показват увеличаване с 9% на динамичните показатели между 3000 и 8000 об/мин, със същевременно намаляване на разхода с 8-10%. Последват безапелационни победи...
Въоръжена с тази огромна база от знания, Audi пуска в производство първия си сериен модел въоръжен с тази технология през 2001 г. В конструкцията на мотора на А2 1,4 FSI е добавена специална клапа, разделяща всмукателния колектор при различите режими на работа адаптивна система за рециркулация на отработилите газове и каталитичен акумуларащ конвертор.
FSI
Съкращението FSI трябва да означава Fuel Stratified Injection или горивен процес с разслояване на заряда, който от VW и Audi трансформират във Fuel Straight Injection, след като конструкторите решават да не използват режими с бедни смеси. Първоначално обаче реализацията му се състои от комбинация от фактори –взаимодействащи си процеси от типа wall guided и air guided, демонстриращи предимства както при хомогенни, така и при бедни смеси. Насочването на струята към свещта при работа с бедни смеси се извършва едновремено с помощта на дюзата и завихряния при всмукването въздух, който обаче действа по различен от този на Mitsubishi начин. Във всмукателните колектори са монтирани подвижни клапи които затварят долната част на всмукателните колектори при малки натоварвания и работа с бедни смеси, благодарение на която потокът над тях се ускорява, след навлизането си цилиндъра се завърта в зоната на отсрещната му част, след което се подвежда от буталото със специфично извита форма и насочва сместа към свещта. Това става по време на такта сгъстяване, а при хомогенно пълнене впръскването се извършва по време на целия смукателен такт. Постепенно VW модифицира технологията на даунсайзинг двигатели като днес почти цялата гама на концерна е такава.
BMW
Преди да премине към даунсайзинг мотори, BMW пусна серийно атмосферни мотори с директно впръскване. След появата през 2006 г. на първите шестцилиндрови двигатели с директно впръскване с турбокомпресори, през 2007 година последваха атмосферни версии работещи с бедни смеси първоначално с шест, а впослествие с четири цилиндъра. Принципът на работа на баварските мотори използуващи система за впръскване на Siemens VDO бе много подобен като този на споменатата в предишната част технология на Mercedes, затова ние няма да се спираме подробно на нея. За разлика от щутгатските инженери обаче тези от Мюнхен минаха по друг път на развитие като прецениха, че е по-добре да се въздържат от разработването на системите за директно впръскване от първо поколение и започнаха разработките директно на второто. Като междинен етап въведоха в цялата си гама от двигатели системата Valvetronic, управляваща пълненето чрез промяна на хода на клапана и елиминираща необходимостта от дроселова клапа. Поетапно тя бе заменена с впръскване от второ поколение с пиезоинжектори (освен някои версии като атмосферната модификация на Mini). Първият агрегат с директно впръскване бе 12 цилиндров, но той използуваше ниско налягане на впръскване и схемното му решение бе различно на това на новото поколение. При следващото, налягането достигаше 200 бара, а горивото се подаваше от пиезоинжектори на няколко (до 6) порции, с което се оформя конусовидна обогатена зона около свещата. Огромно значение за подобряване на ефективността играеше увеличената от 10:1 на 12:1 степен на сгъстяване. Усъвършенствана бе системата за променливо газоразпределение, а задвижването на клапаните бе с намалено съпротивление в резултата което максималните обороти са нараснали със 800. Според експертите на компанията гореописаните предимства могат да бъдат ефективно реализирани само при наличие на безсерно гориво. По тази причина компанията запази версии с класическата вече система Valvetronic за пазарите където нивото на сярата в горивото все още е високо. Този мотор обаче просъществува кратко, за да бъде заменен с двулитровия четирицилиндров N20 използващ същата система за впръскване, но турбопълнене.
GM и Fiat
Преди развода си GM и Fiat работеха съвместно по проекти както в дизеловата, така и в бензиновата област. След раздялата им възгледите за пътя по който трябва да се движи бензиновия двигател първоначално тръгнаха разнопосочно, но въпреки различните базови условия италианските и германските конструктори обединиха идеите си. Бъдещето, според тях се състои в директното впръскване на гориво, двуконтурен турбокомпресор и променливи фази на газоразпределение както на всмукателните, така и на изпускателните клапани. Последното условие е много важно защото именно то позволява широко припокриване на фазите на газоразпределение (по-продължителен период от време в който и всмукателните и изпускателните клапани остават отворени) благодарение на което се създава изключително енергичен поток от отработили газове и бърза реакция на турбокомпресора. Това от своя страна пък е възможно само благодарение на директното впръскване, тъй като в противен случай толкова голямо припокриване би довело до значителни загуби на горивовъздушна смес изтичаща с отработилите газове.
При двулитровите бензинови двигатели на GM, които още се използват, в режими с широкоотворена дроселова клапа около 20% от нахлуващият въздух се отправя заедно с газовете към турбината, увеличавайки по този начин с 10% оборотите на турбинното колело (от 110 000 на повече от 120 000 оборота при 2000 об/мин на коляновия вал ). Впръскването започва по-късно – чак когато и двата клапана са затворени. Двуконтурният турбокомпресор от своя страна разделя газовите потоци, подобрява ефективността чрез избягване на интерференциите между пулсациите на налягането. 2.0 L- SIDI е плод на постоянните виртуални комуникации на европейските и американски инженери. Проекът е ръководен от американския екип, отговорен също за базовата конструкция на двигателя, разработката на турбокомпресорната част е на шведите от Saab, директното впръскване е проектирано в Германия и Италия, а крайната настройка, калибириране и тестове е дело на италианците – всичко това чрез всекидневни телеконференции и интернет комуникации в реално време.
Toyota
Преди десет години екипът на Шузио Абе изненада всички свои колеги с екстравагантното си решение да използва комбинирана схема за пълнене в част от новата си гама от четири-, шест- и осемцилиндрови мотори. Директното впръскване не е новост за инженерите на Toyota – през 90-те години, почти едновремено с Mitsubishi те създадоха четирицилиндров мотор, чиято технологична схема бе сходна с тази на VW. Тя обаче бе въведена само в модели за японския пазар. Въпреки постепенната еволюция и усъвършенстване на системата, въвеждането на нови драстични ограничения на емисиите принуди инженерите да преминат към използването само на режими с хомогенно пълнене, а от 2003 година подобен двигател вече задвижваше и европейския модел Avensis.
Технологията с два инжектора на цилиндър – за директно и за впръскване във всмукателните колектори, противно на първоначалната логика не се създават условия за работа с бедни смеси. Системата бе съвместен проект на инженерите от Toyota и Yamaha, а производството й бе поверено на Denso.
При максимално натоварване горивото се впръскваше директно в цилиндъра, извличайки всички ползи от вътрешното охлаждане (степента на сгъстяване е 11,8:1). В междинните режими обаче то се разпределя между двата инжектора. Подобно решение е продиктувано от факта че при ниски оборотни режими и средно натоварване горивото започва да оформя концентрирани зони на определени места поради ниската скорост на въздушния поток, удължавайки по този начин продължителността на горене. След множество опити се оказва че най-доброто (според японците) решение на този проблем е умелото съчетаване на двата „горивни потока”- с това се ускорява газовия поток и значително се подбрява смесообразуването. Пропорцията се мени постоянно под строгия контрол на електрониката преминавайки към 100 процентово в гореспоменатите режими. Помощници в този сложен процес са и специално завихрящите потока всмукателни колектори и клапани.
При стартиране на студен двигател електрониката включва режим на „слабо разслояване”- цилиндърът се пълни конвенционално от индиректния инжектор с хомогенна смес, а в последната част на такта сгъстяване директния добавя малко количество смес в зоната на свещта. Запалването се извършва със закъснение, като по този начин се увеличава температерата на отработилбите газове и без да се влоши работата на двигателя, катализаторът се довежда до по-бърза работна темепература.
Шестцилиндорвият двигател, оборудван с тази технология 2GR-FSE, се използуваше в различни модификации в Lexus - IS350, GS 350 и GS 450h, същата технология е въведена и осемцилиндровите LS 430 и хибридния LS600h.
Текст: Георги Колев