ДВЗ: засуджується до економічності

До традиційного запитання, на чому ми їздитимемо найближчим часом, додалося ще одне, не менш важливе — наскільки ощадливо.

Технологи більше не дивляться зверхньо на одиничні відсотки економічності — така основна тенденція в сучасному автомобілебудуванні. У хід ідуть будь-які винаходи теоретиків і практиків, від більш досконалих систем живлення й до «непридатних» джерел економії на зразок рекупераційних гальмових систем. Розглянувши досягнення вчених і винахідників із цього питання, нескладно уявити практичні обрії галузі на найближчі роки.

Зниження апетиту

Аналітики американського департаменту енергетики DOE уважають, що ДВЗ як основний рушій для автомобіля збереже свою першість ще кілька десятиліть. Приріст ефективності бензинових і дизельних двигунів до 2020 року становитиме 30%, а до 2030-го — 50%.

Найцікавіша в цьому напрямку технологія HCCI, більш відома як дізотто. Сенс її в тому, щоб навчити бензиновий двигун підпалювати­ робочу суміш від стискання, а не від електричної іскри, об’єднавши таким чином переваги циклів Отто й Дизеля. У гомогенній повітряно-бен­зи­но­вій суміші, стисненій до точки самозапалювання, виникає безліч вогнищ ­самозаймання, що приводить до набагато ефективнішого горіння. Процес згоряння в HCCI характеризується відсутністю відкритого полум’я й більш низькою, ніж у дизельних двигунів, температурою. У результаті частка згорілого палива зростає до 95-97% замість 75% у циклах Отто й Дизеля.

Дізотто найефективніше працює на сумішах, збіднених на 30 і більше відсотків.

Ще у 2007 році фірма Mercedes представила експериментальний автомобіль S-Класу F 700, у якому як силова установка використаний чотирициліндровий дізотто потужністю 238 к.с. Реальна витрата палива в змішаному циклі в цього двигуна — 5,3 л.­ Правда, за запевненням журналістів, які випробували новинку, мотор концепту зовсім не на всіх обертах працював стабільно. Власне, у цьому й полягають основні недоліки HCCI — нестабільна­ робота на низьких і високих обертах, а також складність створення цілком гомогенної суміші, рівномірно розподіленої по всьому обсягу камери згоряння.

Розробкою цієї технології з 90-х років займаються також Volkswagen, Nissan і General Motors, а недавно до них приєдналися британські інженери з Lotus. І, схоже, день серійного HCCI уже близький: фахівці General Motors повідомляють, що зуміли забезпечити стабільність роботи на­­ малих обертах, а британські інженери з Lotus заявляють, що побудували працюючий прототип супердвигуна, який «знизу доверху» підтримує процес HCCI.

Нарешті, шведські дослідники з університету Лунд обрали шлях удосконалення підпалювання бензину від стискання. Технологія, розроблена шведами, називається Partially Premixed Combustion. У PPC використовується подвійне впорскування — попередня пор­ція палива створює первинну дрібнодисперсну хмару, а друга призводить до утворення пошарового заряду. Зміна пропорції цих зарядів дозволила домогтися тонкого настроювання, надійної керованості процесу й усталеної роботи у всьому діапазоні обертів і навантажень. Паливна ж економічність цієї технології просто фантастична: компакт­ний одноциліндровий мотор продемонстрував ККД у 56%, а більший аналог — 57%. На думку віце-президента компанії Bosch Хеннінга Шнайдера, автомобілі з витратою палива в межах 3 л на 100 км, оснащені ДВЗ із технологією HCCI, стануть серійними вже в 2015 році.

Наступна не менш цікава технологія підвищення ККД двигуна внутрішнього згоряння — система надкритичного впорскування бензину TSCi, розроблена компанією Вінода Хосли Transonic Combustion.

Надкритичного стану паливо набуває під тиском близько 20,5 МПа за температури 370 °С, утворюючи щось середнє між рідиною та газом. Після чого воно згоряє набагато ефективніше, забезпечуючи приріст ККД від 5 до 21%. І, нарешті, головний нюанс технології: вона може бути застосована на стандартних моторах без переробки конструкції самого двигуна. Треба тільки замість штатної форсунки вкрутити інжектор TSCi — і двигун готовий до економічних подвигів!

А от компанія Robert Bosch у 2008 році «про запас» уклала контракт на розробку компонентів для серійного випуску двигунів, які використовують нову технологію Split-Cycle Combustion (SCC), на той випадок, якщо одного разу винахід піде в серійне виробництво. У чому ж секрет цієї новинки, якщо навіть прагматичні німці намагаються заздалегідь відвоювати собі місце під покровом успіху цього мотора?

Винайдений у 2001 році інженером Кармело Скудері­ SCC — двигун внутрішнього­­ згоряння, у якому цикли впуску-стискання відокремлені від циклів робочого ходу й випуску. Просто цим займаються різні циліндри: два з них засмоктують повітря з паливом і стискають їх, після чого суміш через канали та клапанний механізм передається в ще одну пару циліндрів, де спалюються й випускаються відпрацьовані гази. Нове полягає в тому, що у двигуні Скудері за кожного з обертів колінчастого вала відбувається робочий хід поршня, на відміну від звичайного чотиритактника, де робочий хід настає лише за кожного другого оберту. До того ж технологія дозволяє без шкоди для двигуна підвищити ступінь стискання й збільшити робочий хід поршня. Це, у свою чергу, приводить до більш повного згоряння й зменшення шкідливих викидів. Розрахунки показують, що ККД такого двигуна може зрости до 50%.

Винахід Скудері активно впроваджують General Motors, Honda, Daimler та інші компанії вищої ліги. Із погляду моторобудівників, у цього двигуна є ще одна незаперечна перевага: він є єдиною альтернативою системі HCCI, при цьому не вимагаючи глобальних змін у складальних технологіях.

Наступний спосіб збільшення ККД — технологія змінюваного ступеня стискання VCR (Variable Compression Rate). Корпорація Saab, французька компанія MCE і американська Envera йдуть єдиним шляхом щодо конструкції: зміна компресії здійснюється за рахунок зрушення колінчастого вала за допомогою ексцентриків. Ці компанії працюють приблиз­­но з однаковим діапазоном зміни ступеня стискання­ — від 7:1 до 20:1 — і показа­ли однакове підвищення­ ККД — близько 30%. «Побічним ефектом» застосування технології VCR став значний приріст літрової­ по­тужності. Наприклад, ­чотири­циліндровий бензиновий VCR обсягом 1,85 л американської Envera видав 300 к.с. і 400 Н.м за 4000 об./хв.

Британська ж Lotus Engineering пішла іншим шляхом, розмістивши у верхній частині циліндра рухливу шайбу, яка переміщається назустріч поршню й від нього для зміни компресії. Це дозволяє змінювати ступінь стискання від 10:1 до 40:1. У підсумку отримана конструкція Omnivore («Всеїдний») не тільки потужніша, економічніша та екологічніша від нині існуючих аналогів, а й така, що може працювати на будь-якому рідкому паливі.

Що ж до термінів упровадження цих технологій у серійне виробництво, то ближче за всіх із них перебуває Lotus. За заявою Джеймі Тернер, головного інженера Lotus Engineering, комерціалізація проекту триватиме не більше року-півтора.

Універсальна трансмісія

Недосконалість конструкції трансмісії — причина втрат до 30% потужності в автомобілі. Чи варто дивуватися, що винахідники та конструктори завзято штурмують цю вершину, бачачи в ній друге за величиною потенційне джерело економії.

Теоретично найсучасніша, найтехнологічніша, найеко­номічніша й просто зручна конструкція коробки змінних передач — це варіатор. Однак порівняно малий крутний момент, переданий цим пристроєм, наявність гідротрансформатора й недовговічність привідного ременя мінімізують технологічні переваги варіатора. Схоже, такому стану справ покладено край. Universal Transmission, варіатор із новим принципом роботи, здатний змінити всі уявлення про конструкцію КПП. Розробила його інжинірингова компанія Vernier Moon Torque Technologies.

У цій конструкції використовується не пара зачеплення «ремінь-шків» і навіть не «ланцюг-шків», а «ланцюг-шестірня». Усі спроби сконструювати такий варіатор досі натрапляли на технічну неможливість плавно змінювати кількість зубів у шестірні або її діаметр і крок самого ланцюга для плавної зміни передатного числа. Інженери Vernier Moon Torque Technologies заявляють, що їм це вдалося. Згодний, що таке твердження схоже на блеф. Однак існує патент, принципова модель у металі й цифрова CAD-модель. Винаходом зацікавилися відразу декілька автовиробників, ведеться інтенсивна підготовка до комерціалізації Universal Transmission. І це не дивно: пристрій позиціонується як варіатор постійного жорсткого зачеплення. Тобто такій коробці для передачі зусилля із двигуна на диференціал не потрібне ні зчеплення, ні гідротрансформатор. Крім того, пристрій не потребує дорогого електронного контролера й може легко масштабуватися для роботи як на мотоциклі, так і у великовантажному тягачі. Озвучено й максимальну потужність, з якої на поточному рівні розробки здатний упоратися варіатор, — 525 к.с. А ще він легше, компактніше, простіше у виготовленні. Нарешті, за запевненнями президента Vernier Moon Torque Річарда Вілсона, такий пристрій здатний підвищити загальний ККД автомобіля на 30% і на стільки ж поліпшити динаміку. Залишається тільки з нетерпінням чекати на появу «універсальної трансмісії» у серійному автомобілі.

Поки технологи винаходять зовсім нові концепції КПП, болгарин Румен ­Антонов, який очолює компанію Antonov Plc, працює над вдосконаленням старої доброї АКПП на основі планетарної передачі. Його успі­хи спантеличують: у підсум­ку з’явився шестиступінчастий «автомат» ТХ6, у якому відсутній гідротрансформатор, зате присутні два вторинних вали й планетарна передача. Завдяки особливостям конструкції ця коробка перемикається з парних на непарні передачі й назад фактично миттєво, без розриву потоку потужності. Відсутність же гідротрансформатора має значно поліпшити економічність аг­регату. Однак нова АКПП має й незаперечний недолік: переданий ним максимальний крутний момент обмежений 270 Н.м. Отже, сфера його застосування — автомобілі малого й середнього класу.

ТХ6 уже пройшов усі тестові випробування й цілком готовий до впровадження. Неексклюзивну ліцензію на виробництво агрегату придбала китайська компанія Geely за 900 тис. євро. Підписано також угоду з великим постачальником автомобільних комплектувальних — Magna Powertrain.

Великі дрібниці

Крім результатів революцій у моторобудуванні й глобальних поліпшень трансмісії, непоганий ефект щодо економічності можна одержати, підсумувавши користь від деяких не таких значних винаходів.

Так, корпорація ArvinMeritor продемонструвала першу у світі інтелектуальну систему привода Meritor LogixDrive. Комплекс датчиків, інтегрованих у ній, відслідковує температуру, швидкість обертання окремих елементів, навантаження. У підсумку системі вдається подавати оптимальну кількість мастила в кожен навантажений вузол. Це допомагає уникнути як спінювання мастила через його надлишкову подачу, так і недоліку в особливо навантажених вузлах. Підсумок — мінус 30% втрат на тертя в порівнянні зі звичайними трансмісіями.

Учені з американської компанії NanoMech створили мастило NanoGlide, здатне вдвічі знизити втрати у вузлах тертя великої навантаженості. Виробництво ґрунтується на нанотехнологіях: у мастильному компаунді використовуються наночастинки сульфіду молібдену овальної форми розміром від 30 до 70 нанометрів. Якщо врахувати, що більше половини всієї енергії, що виробляється людством, втрачається на тертя, то зниження цього показника вдвічі — колосальне досягнення!

Студенти Массачусетського технологічного інституту розробили амортизатори GenShock, які не тільки створюють комфорт, а й виробляють електрику під час коливань кузова. Завдяки застосуванню нової технології важкий пікап, оснащений шістьма такими амортизаторами, може взагалі не використовувати класичний генератор. При цьому економія палива досягає 10%!

Ще одне «непридатне» джерело електроенергії в автомобілі — вихлопні гази.

Команда вчених із Мічиганського університету (США) і Університету Гонконгу знайшла спосіб доопрацювати перспективний термоелектрик арсенід кобальту (скутерудит) і підвищити ККД процесу перетворення тепла випускної системи автомобіля на електрику з 5% до 20%. Такими показниками виробітку електроенергії, погодьтесь, уже варто зацікавитися.