Последните поколения бензинови двигатели дължат много на разработките на Mitsubishi
„В сравнение с конвенционалните бензинови двигатели с впръскване на гориво във всмукателните колектори този агрегат разполага с 10% по-висока мощност и въртящ момент, и най-важното – позволява постигане на 35 до 40% по-нисък разход на гориво в определени режими. Освен това успяхме да ограничим и контролираме емисиите на азотни окиси в режимите на изгаряне на бедни смеси.”
Изпълненият с оптимизъм поглед на д-р Хиромицу Андо, ръководещ изследователския и развоен отдел за двигатели на Mitsubishi Motors Corp. говори за удоволетворение от постигнатото. И има защо – инженерите на компанията са работили над този проект цели 15 години и сега всички могат да се радват на успеха. Готов за серийно производство е бензинов двигател, който може да работи с бедни смеси и да елиминира редица свои недостатъци спрямо дизеловите мотори, а думите на д-р Андо звучат като начало нова ера в двигателостроенето.
Всичко това се случи преди почти двайсет години. Тогава мнозина производители се втурнаха да копират и интерпретират използвания от Mitsubishi подход, приемайки за даденост предимствата на новата технология GDI (Gasoline Direct Injection). За съжаление практиката скоро се оказа доста по-сурова от теорията и въпреки че Mitsubishi предложиха на пазара цяла серия от двигатели GDI, ефектът от внедряването на този тип директно впръскване се оказа почти нулев. Нещо повече – в редица случаи капризите на новото поколение бяха толкова сериозни, че резултатите от прилагането на сложната технология се оказаха диаметрално противоположни на очакваните (виж информацията в карето). Оптимистичните проценти в изложението на д-р Андо останаха само в сферата на добрите пожелания и макар идеята да бе многообещаваща на теория, на този етап от развитието на масовото автомобилостроене тя така и не сработи. В крайна сметка Mitsubishi продадоха доста значително количество GDI агрегати преди неотдавна да решат да прекратят производството на цялата гама и да замразят програмата за развитие в тази насока за неопределен период от време. Появиха се немалко на брой бензинови агрегати с директно впръскване на други производители – при част от тях работата с обеднени смеси се осъществяваше по различен начин (типичен пример е серията FSI на концерна VW), а при други директното впръскване в цилиндрите не целеше „разслояване на заряда”. Днес всички модерни турбо агрегати са с директно впръскване.
Макар и далеч от поставената цел, опитът на Mitsubishi за едросерийно внедряване на технологията GDI е важен етап в историята на двигателостроенето, който помогна за събиране на незаменима информация и създаде предпоставки за раждането на второто поколение далеч по-ефективни мотори с директно впръскване. Ако се върнем още по-назад във времето, ще открием че и Mitsubishi са почерпили опит от съкровищницата на техническото познание – изследването на историческите архиви би ни отвело до още няколко обещаващи на теория, но безполезни на практика опити за оползотворяване на идеята за работа с бедни смеси...
Както споменахме в предишната част на поредицата, хрумването за създававане на бензинов двигател, работещ с обеднени смеси е доста старо и е озарявало съзнанието на не един и двама конструкори. Редица подобни проекти стигат дори до практическа реализация през 60-те и 70-те години на миналия век с използване на система от две камери – малък изолиран обем с обогатена смес, запалвана от обикновена свещ и основна горивна камера, заредена с обеднена смес. Запалването на бедната смес се осъществява от факела на вече възпламенената малка камера, нахлуващ в основната част на цилиндъра през специално оформени канали. Подобни системи създават Honda (т. нар. CVCC процес), Porsche, Texaco и се използват в споменатия по-рано ГАЗ 3102. В крайна сметка обаче сложността на техническата реализация, налагаща използването на специални двусекционни карбуратори и отделен всмукателен клапан се оказва сериозен възпиращ фактор на фона на неособено обнадеждаващите резултати. Повечето производители и развойни звена постепенно изоставят идеята след като става ясно, че знанията по отношение на същината на горивните процеси все още не са достатъчни, а технологичните възможности за сполучлива реализация на идеята са твърде ограничени.
И тогава настъпват интересни събития...
В края на 70-те години на ХХ век американската автомобилна индустрия преживява сериозни структурни промени, атакувана от една страна от инвазията на японците и европейците, а от друга от въвеждането на редица ограничения по отношение на разхода на гориво и вредните емисии. Брок Адамс, транспортен министър на Щатите по онова време, недвусмислено заявява на местните автомобилосторители, че нямат друг избор, освен да „изобретят наново автомобила”. Шокиращите нормативи за ограничаване на емисиите и разхода имат ефекта на студен отрезвяващ душ на „Голямата тройка”, която до този момент се радва на пазарните си успехи необезпокоявано и самодоволно. Естествено не липсват остри реакции - Ford отправят яростна критика към програмата с твърдението, че от тях се иска едва ли не „да променят законите на термодинамиката”, но надгробният камък на консервативното и архаично мислене е поставен окончателно и безвъзвратно от поредната петролна криза. Дефицитът на безоловни бензини се превръща в мощен генератор на промени и американската автомобилна индустрия е принудена да действа бързо и категорично, ако иска да оцелее - новите изисквания за намаляване на разхода на гориво и емисиите на практика означават тотална промяна на мисленето в Детройт. По този повод президентът на General Motors Елиот Естес ще каже следното - „през последните пет години постигнахме огромен прогрес, но през следващите пет той ще ни изглежда като детска игра”.
В резултат от тези промени в края на седемдесетте години е дадено началото на интензивен процес на технологично развитие, който удивително прилича на днешния възход в сферата на автомобилната техника. Именно по това време е въведено и ограничението Corporate Average Fuel Economy (CAFЕ) – своебразен американски предтеча на днешното ограничаване на средния разход на моделната гама на европейските автомобилни прозводители, изразяващо се в определяне на средното ниво на отделяния въглероден двуокис.
На страниците на списание Time от март 1979 година можете да прочетете следните редове: „Най-важното е, че дните на класическия бензинов двигател с вътрешно горене са преброени. Най-вероятните му наследници ще са предпочитаният от GM дизелов двигател и работещият с обеднени смеси бензинов мотор, разработен от Ford.” Забележете – годината е 1979! През същата тази година производството на дизелови автомобили на GM отбелязва огромен ръст и достига цели 4% от общия тираж на концерна, което за времето си и на фона на незначителното по-високия дял в Европа, е доста сериозно число. За съжаление всички знаят какво е бъдещето на дизеловите машини в Щатите...
Инженерите на Ford избират друга стратегия
Според тях далеч по-рационално би било да се усъвършенстват технологиите за създаване на ефективно работещ с бедни смеси бензинов двигател. Идеята им е осъществена за първи път в експериментални машини, подложени на изпитания от американската армия още в края на 50-те и 60-те години, но в края на 70-те Ford търсят значително по-различен подход към решаването на проблеми с управлението на процесите на горене. Специалистите вече разполагат с примитивни от днешна гледна точка, но изключително напредничави за времето електронни средства за контрол и управление, а сериозният анализ на съществуващите до момента системи за впръскване ги насочва към технология, наподобяваща до голяма степен реализираната през 50-те години от Mercedes система за директно впръскване.
Днес с пълно основание може да се твърди, че именно с горивния процес PROCO (PROgrammed COmbustion), създаден от инженерите на Ford и химиците на нефтената компания Texaco, е направена пионерската стъпка в съвместното използване на директно впръскване и електронно управление. Тук трябва да се отбележи, че компютърните системи също преживяват бурна революция в развитието си през същия този период - докато в началото на 70-те години управляващата електроника заема целия багажник на първите експериментални образци на Ford, то през 1978 година петлитровият двигател на Lincoln Versailles вече се управлява от един единствен микропроцесор Toshiba. Така се ражда електронната система EEC, която първоначално се използва за контрол на класически карбуратор, а в началото на 80-те години поема управлението на запалването и впръскването на гориво благодарение на бързодействието, осигурено от новият процесор Intel 8061. Разработката на PROCO тече в тясно сътрудничество с Bosch, които по това време вече разполагат със сериозен опит в тази област.
В крайна сметка обаче се оказва, че и PROCO е изпреварил времето си. Ford пускат експериментална серия от модела Taurus, но резултатите се оказват незадоволителни поради добре познатите причини - в края на седемдесетте и началото на осемдесетте години на ХХ век все още липсва критичната маса от знания и опит в областта на управлението на горивните процеси, а нивото на развитие на електрониката не е достигнало нужната висота. Проектът PROCO е изоставен, но натрупаният в процеса на разработка на тази система опит си остава изключително ценен. Благодарение на няколкогодишните задълбочени изследвания конструкторите обогатяват познанията си във важни области като турбулентните процеси, дозирането на продължителността и избора на подходящ момент за впръскване и запалване, както и химията на процесите в двигателите.
Оттук нататък щафетата по отношение на технологичните разработки поемат европейските автомобилни компании.
Започава процес на бързо внедряване на електронни компоненти за управление, а първите механични системи за индиректно впръскване са заменени с първите електронни устройства за управление на запалването и впръскване на гориво. Последното на първо време се осъществява по далеч по-лесния за управление и по-евтин за реализация метод на впръскване във всмукателните колектори, а усилията на инженерите се насочват към разработка на каталитични методи и устройства за ограничаване на вредните емисии. Технологията се усъвършенства непрекъснато, през 1979 година в BMW 732i се появява първата интегрална цифрова система за цялостно управление на впръскването и запалването Bosch Motronic, а бъдещето на бензиновите двигатели с индиректно впръскване на гориво изглежда непоклатимо
Докато... през 1996 година Mitsubishi не представи на пазара първия сериен автомобил, задвижван от бензинов двигател с директно впръскване и възможност за работа с обеднени смеси. Моделът Legnum (японската версия на Galant) използва новото поколение 1,8-литров двигател GDI, който през 1997 година прави своя европейски дебют в Carisma. Въпреки че японците постепенно разшириха гамата си с шестцилиндрова и турбо версия, че PSA закупиха лиценз за тази технология, а съвместно с Hyundai бе разработен и осемцилиндров GDI-агрегат, комбинацията от директно впръскване и работа с бедни смеси така и не успя да демонстрира на практика теоретичните си предимства. Кръгът се затвори...
Mitsubishi GDI
В режим на високо натоваване инжекторът впръсква горивото по време на всмукателния такт в широка струя с формата на конус, като по този начин охлажда обема на камерата, създава хомогенна смес и осигурява увеличение на въртящия момент от 10%. В режим на слабо или частично натоварване и обеднена смес, процесът на смесообразуване и горене се обуславя от сложна комбинация от фактори. Горивото се впръсква в компактна струя в последния етап на такта сгъстяване, подвежда се от слоя въздух, чиято траектория след преминаване през вертикалния колектор наподобява примка и се отправя към свещта под формата на обогатената смес, следвайки специалния контур на челото на буталото. Този относително прост като основна идея процесът се нарича „wall guided direct injection” и е изключително сложен за практическа реализация и управление. В тази област Mitsubishi са патентовали поне 200 нови технологични процеса, най-важните сред които са са вертикалните всмукателни колектори, помпата за впръскване под високо налягане, специално конструираният инжектор, който може да променя формата на струята и прецизно оформеното вдлъбнато чело на буталото. Впоследствие Peugeot и Citroen доразвиват именно тази система, докато Renault и VW залагат на различна схема със странично разположена дюза, насочваща сместа директно към свещта.
Най-сериозните недостатъци на системата GDI са няколко - върху буталото се образува слой от гориво, високото ниво на сяра не позволява голяма степен на обедняване, а дюзите са много претенциозни по отношение на качеството на бензина. Освен това системата се справя незадоволително в преходните режими. При преминаване от режим на работа от свръхбедни към хомогенни смеси например започва интензивно образуване на сажди, които попадат в моторното масло, влошават качествата му и в екстремни случаи могат да доведат до запушване на маслените магистрали. Саждите нарушават и работата на системата за вентилация на картера, а през системата за рециркулация на изгорелите газове (която в този тип двигател е неизбежно условие за изпълнение на екологичните норми) попадат и се отлагат по стените на всмукателния колектор, клапаните и свещите. Вследствие на всички тези практически проблеми GDI постепенно се превърна в антипод на първоначалната рационална идея, демонстрирайки висок разход на гориво, високи емисии на твърди частици и посредствена динамика.
Mercedes 300 SL
Благодарение на огромната база данни, натрупана през Втората световна война (значителна част от двигателите на германските самолети са оборудвани със системи за директно впръскване) Mercedes и Bosch оборудват модела 170 V със система за директно впръскване още през 1946 година. Toва обаче не означава, че адаптацията на самолетната техника за автомобилини нужди е лесна задача – най-малкото поради факта, че за разлика от автомобилните, авиодвигателите обикновено работят в стабилни оборотни режими около 1500 об/мин.
Първият сериозен пробив по отношение на серийното внедряване на системите за директно впръскване в автомобилната област е извършен от Bosch в двутактовите машини на Gutbrod и Goliath (част от групата Borgward). Директното впръскване е изключително ефикасно решение на проблемите на двутактовия принцип, тъй като спомага за избягване на смесването на отработилите газове и свежата горивна смес. Експерименталната работа по разработката на сериен четиритактов двигател с директно впръскване е започната през 1952 година, отново съвместно от инженерите на Bosch и Mercedes, а резултатът е моделът 300 SL с шестцилиндров редови двигател. Причината за използването на система за директно впръскване е повече от ясна и няма нищо общо с работата с обеднени смеси. С прилагането на директно впръскване инженерите имат намерение да увеличат степента на сгъстяване (респ. ефективността на двигателя) без опасност от детонации, да подобрят смесобразуването и да се създадат предпоставки за бързо и ефективно горене.
Долната част на алуминиевата глава на двигателя е плоска, а същинската горивна камера е оформена в самия цилиндър. В непосредвена близост до поставения в тази част инжектор е позиционирана и горивната свещ, а впръскването на гориво се осъществява с налягане от 75 бара от бутална помпа за дизелов двигател. Системата позволява прецизно дозиране на подаваното към всеки цилиндър гориво, а оттам и възможност за равномерно натоварване до гранични режими. Именно егфективността на мотора в екстремни условия дава добра отправна точка за създаване на спортната версия SLR с осемцилиндрова машина, при която главата има пирамидална форма, а клапаните се задвижват от специфична „дезмодромна” система без пружини. След множество интензивни изследвания е взето решение инжектора да бъде разположен под наклон от страната на всмукателните тръбопроводи, а струята му с налягане от 100 Бара е насочена към долната част на горещия изспускателен клапан.
(Следва)
Текст: Георги Колев