ДВС: приговаривается к экономичности

К традиционному вопросу, на чем мы будем ездить, добавился еще один, не менее важный — насколько экономно.

Технологи больше не смотрят свысока на единичные проценты экономичности — такова основная тенденция в современном автомобилестроении. В ход идут любые изыскания теоретиков и практиков, начиная с более совершенных систем питания и заканчивая «бросовыми» источниками экономии типа рекуперационных тормозных систем. Рассмотрев достижения ученых и изобретателей по данному вопросу, несложно представить практические горизонты отрасли на ближайшие годы.

Снижение аппетита

Аналитики американского департамента энергетики DOE считают, что ДВС в качестве основного движителя для автомобиля сохранит свое первенство еще несколько десятилетий. Прирост эффективности бензиновых и дизельных двигателей к 2020 году составит 30%, а к 2030-му – 50%.

Наиболее интересна в этом направлении технология HCCI, более известная как дизотто. Смысл ее в том, чтобы научить бензиновый двигатель поджигать рабочую смесь от сжатия, а не от электрической искры, объединив таким образом достоинства циклов Отто и Дизеля. В гомогенной воздушно-бензиновой смеси, сжатой до точки самовоспламенения, возникает множество очагов самовозгорания, что приводит к гораздо более эффективному горению. Процесс сгорания в HCCI характеризуется отсутствием открытого пламени и более низкой, чем у дизельных двигателей, температурой. В результате доля сгоревшего топлива вырастает до 95–97% вместо 75% в циклах Отто и Дизеля.

Дизотто наиболее эффективно работает на смесях, обедненных на 30 и более процентов.

Еще в 2007 году фирма Mercedes представила экспериментальный автомобиль S-класса F 700, в котором в качестве силовой установки использован четырехцилиндровый дизотто мощностью 238 л.с. Реальный расход топлива в смешанном цикле у этого двигателя — 5,3 л. Правда, по заверениям журналистов, опробовавших новинку, мотор концепта далеко не на всех оборотах работал устойчиво. Собственно, в этом и заключаются основные недостатки HCCI – неустойчивая работа на низких и высоких оборотах, а также сложность создания полностью гомогенной смеси, равномерно распределенной по всему объему камеры сгорания.

Разработкой данной технологии с 90-х годов занимаются также Volkswagen, Nissan и General Motors, а недавно к ним присоединились британские инженеры из Lotus. И, похоже, день серийного HCCI уже близок: специалисты General Motors сообщают, что сумели обеспечить устойчивость работы на малых оборотах, а британские инженеры из Lotus заявляют, что построили работающий прототип супердвигателя, «снизу доверху» поддерживающий процесс HCCI.

Наконец, шведские исследователи из университета Лунда выбрали путь усовершенствования поджига бензина от сжатия. Технология, разработанная шведами, носит название Partially Premixed Combustion. В PPC используется двойной впрыск – предварительная порция топлива создает первичное мелкодисперсное облако, а вторая приводит к образованию послойного заряда. Изменение пропорции этих зарядов позволило добиться тонкой настройки, надежной управляемости процесса и устойчивой работы во всем диапазоне оборотов и нагрузок. Топливная же экономичность этой технологии просто фантастична: компактный одноцилиндровый мотор продемонстрировал КПД в 56%, а более крупный аналог — 57%. По мнению вице-президента компании Bosch Хеннинга Шнайдера, автомобили с расходом топлива в пределах 3 л на 100 км, оснащенные ДВС с технологией HCCI, станут серийными уже в 2015 году.

Следующая не менее интересная технология повышения КПД двигателя внутреннего сгорания — система сверхкритического впрыска бензина TSCi, разработанная компанией Винода Хослы Transonic Combustion.

Сверхкритическое состояние топливо приобретает под давлением порядка 20,5 МПа при температуре 370 °С, образуя что-то среднее между жидкостью и газом. После чего оно сгорает намного эффективнее, обеспечивая прирост КПД от 5 до 21%. И, наконец, главный нюанс технологии: она может быть применена на стандартных моторах без переделки конструкции самого двигателя. Стоит лишь вместо штатной форсунки вкрутить инжектор TSCi – и двигатель готов к экономическим подвигам!

А вот компания Robert Bosch в 2008 году «про запас» заключила контракт на разработку компонентов для серийного выпуска двигателей, использующих новую технологию Split-Cycle Combustion (SCC), на тот случай, если однажды данное изобретение пойдет в серийное производство. В чем же секрет этой новинки, если даже прагматичные немцы пытаются заранее отвоевать себе место под сенью успеха этого мотора?

Изобретенный в 2001 году инженером Кармело Скудери SCC – двигатель внутреннего сгорания, в котором циклы впуска-сжатия отделены от циклов рабочего хода и выпуска. Просто этим занимаются разные цилиндры: два из них засасывают воздух с топливом и сжимают их, после чего смесь через каналы и клапанный механизм передается в еще одну пару цилиндров, которые занимаются сжиганием и выпуском отработанных газов. Смысл ноу-хау в том, что в двигателе Скудери при каждом из оборотов коленчатого вала совершается рабочий ход поршня, в отличие от обычного четырехтактника, где рабочий ход наступает лишь при каждом втором обороте. К тому же технология позволяет без ущерба для двигателя повысить степень сжатия и увеличить рабочий ход поршня. Это, в свою очередь, приводит к более полному сгоранию и снижению вредных выбросов. Расчеты показывают, что КПД такого двигателя может возрасти до 50%.

Изобретение Скудери активно внедряют General Motors, Honda, Daimler и другие компании высшей лиги. С точки зрения моторостроителей, у этого двигателя еще одно неоспоримое преимущество: он является единственной альтернативой системе HCCI, при этом не требуя глобальных изменений в сборочных технологиях.

Следующий способ увеличения КПД – технология изменяемой степени сжатия VCR (Variable Compression Rate). Корпорация Saab, французская компания MCE и американская Envera идут по единому пути в плане конструкции: изменение компрессии производится за счет сдвижения коленвала с помощью эксцентриков. Эти компании работают примерно с одинаковым диапазоном изменения степени сжатия — от 7:1 до 20:1 —и показали одинаковое увеличение КПД – около 30%. «Побочным эффектом» применения технологии VCR стал значительный прирост литровой мощности. Например, четырехцилиндровый бензиновый VCR объемом 1,85 л американской Envera выдал 300 л.с. и 400 Н.м при 4000 об./мин.

Британская же Lotus Engineering пошла по другому пути, разместив в верхней части цилиндра подвижную шайбу, перемещающуюся навстречу поршню и от него для изменения компрессии. Это позволяет изменять степень сжатия от 10:1 до 40:1. В итоге получившаяся конструкция Omnivore («Всеядный») не только мощнее, экономичнее и экологичнее ныне существующих аналогов, но и может работать на любом жидком топливе.

Что касается сроков внедрения этих технологий в серийное производство, то ближе всех из них находится Lotus. По заявлению Джейми Тернера, главного инженера Lotus Engineering, коммерциализация проекта займет не больше года-полутора.

Универсальная трансмиссия

Несовершенство конструкции трансмиссии – причина потерь до 30% мощности в автомобиле. Стоит ли удивляться, что изобретатели и конструкторы рьяно штурмуют эту вершину, видя в ней второй по величине потенциальный источник экономии.

Теоретически самая современная, технологичная, экономичная и просто удобная конструкция коробки переменных передач – это вариатор. Однако сравнительно малый крутящий момент, передаваемый этим устройством, наличие гидротрансформатора и недолговечность привод­ного ремня сводят к минимуму технологические преимущества вариатора. Похоже, такому положению вещей пришел конец. Universal Transmission, вариатор с новым принципом работы, способен перевернуть все представления о конструкции КПП. Разработала его инжиниринговая компания Vernier Moon Torque Technologies.

В данной конструкции используется не пара зацепления «ремень-шкив» и даже не «цепь-шкив», а «цепь-шестерня». Все попытки сконструировать подобный вариатор до сих пор наталкивались на техническую невозможность плавно менять количество зубьев в шестерне либо ее диаметр и шаг самой цепи для плавного изменения передаточного числа. Инженеры Vernier Moon Torque Technologies заявляют, что им это удалось. Согласен, что подобное утверждение кажется блефом. Однако существуют патент, принципиальная модель в металле и цифровая CAD-модель. Изобретением заинтересовались сразу несколько автопроизводителей, идет интенсивная подготовка к коммерциализации Universal Transmission. И это неудивительно: устройство позиционируется как вариатор постоянного жесткого зацепления. То есть такой коробке для передачи усилия с двигателя на дифференциал не требуется ни сцепление, ни гидротрансформатор. Кроме того, устройство не нуждается в дорогостоящем электронном контроллере и может легко масштабироваться для работы как на мотоцикле, так и в большегрузном тягаче. Озвучена и максимальная мощность, с которой на текущем уровне разработки способен справиться вариатор, – 525 л.с. А еще он легче, компактнее, проще в изготовлении. Наконец, по заверениям президента Vernier Moon Torque Ричарда Уилсона, такое устройство способно повысить общий КПД автомобиля на 30% и на столько же улучшить динамику. Остается лишь с нетерпением ждать появления универсальной трансмиссии в серийном автомобиле.

Пока технологи изобретают совершенно новые концепции КПП, болгарин Румен Антонов, возглавляющий компанию Antonov Plc, занялся усовершенствованием старой доброй АКПП на основе планетарной передачи. Его успехи озадачивают: в итоге появился шестиступенчатый «автомат» ТХ6, в котором отсутствует гидротрансформатор, зато есть два вторичных вала и планетарная передача. Благодаря особенностям конструкции данная коробка переключается с четных на нечетные передачи и обратно практически моментально, без разрыва потока мощности. Отсутствие же гидротрансформатора должно значительно улучшить экономичность агрегата. Однако новая АКПП имеет и неоспоримый недостаток: передаваемый максимальный крутящий момент ограничен 270 Н.м. Следовательно, область его применения – автомобили малого и среднего класса.

ТХ6 уже прошел все тестовые испытания и полностью готов к внедрению. Неэксклюзивную лицензию на производство агрегата приобрела китайская компания Geely за 900 тыс. евро. Подписано также соглашение с крупным поставщиком автомобильных комплектующих — Magna Powertrain.

Крупные мелочи

Кроме результатов революций в моторостроении и глобальных улучшений трансмиссии, неплохой эффект в плане экономичности можно получить, просуммировав пользу от некоторых не столь значительных изобретений.

Так, корпорация ArvinMeritor продемонстрировала первую в мире интеллектуальную систему привода Meritor LogixDrive. Комплекс датчиков, интегрированных в ней, отслеживает температуру, скорость вращения отдельных элементов, нагрузку. В итоге системе удается подавать оптимальное количество смазки в каждый нагруженный узел. Это помогает избежать как вспенивания смазки из-за ее избыточной подачи, так и недостатка в особо нагруженных узлах. Итог – минус 30% потерь на трение в сравнении с обычными трансмиссиями.

Ученые из американской компании NanoMech создали смазку NanoGlide, способную вдвое снизить потери в узлах трения большой нагруженности. Производство базируется на основе нанотехнологий: в смазочном компаунде используются наночастицы сульфида молибдена овальной формы размером от 30 до 70 нанометров. Если учесть, что больше половины всей вырабатываемой человечеством энергии теряется на трение, то снижение этого показателя вдвое – колоссальное достижение!

Студенты Массачусетсского технологического института разработали амортизаторы GenShock, не только создающие комфорт, но и вырабатывающие электричество во время колебаний кузова. Благодаря применению новой технологии тяжелый пикап, оснащенный шестью такими амортизаторами, может вообще не использовать классический генератор. При этом экономия топлива достигает 10%!

Еще один «бросовый» источник электроэнергии в автомобиле — выхлопные газы.

Команда ученых из Мичиганского университета (США) и Университета Гонконга нашла способ доработать перспективный термоэлектрик арсенид кобальта (скуттерудит) и повысить КПД процесса превращения тепла выпускной системы автомобиля в электричество с 5% до 20%. Такими показателями выработки электро­энергии, согласитесь, уже стоит заинтересоваться.