Вечное движение

ВЕЧНОЕ ДВИЖЕНИЕ

]

ТЕХНИКА

ОБОЗРЕНИЕ

ВЕЧНОЕ ДВИЖЕНИЕ

Если открыть капот современного автомобиля, взору уже не предстанет двигатель в своем классическом виде: блок цилиндров, головка, карбюратор, трубопроводы, потеки масла повсюду... Снаружи лишь декоративная пластиковая крышка и — чистота. Попробуем приподнять эту завесу и посмотрим, что же будет скрываться внутри механического сердца в грядущем столетии. Помогут нам в этом разработчики какой-либо известной фирмы, например ФИАТа. Его специалисты, только что отпраздновавшие столетие фирмы, уже начали отсчет следующего века созданием новых симпатичных слов.

Алексей ВОРОБЬЕВ-ОБУХОВ

«Мультиджет» — этим неологизмом ФИАТ обозначил многофазный непосредственный впрыск на дизельном двигателе с системой «коммон рейл». Предшественника, также, кстати, разработанного ФИАТом, звали «Юниджет», и обеспечивал он две фазы впрыска топлива в цилиндры. Успех системы превзошел ожидания — она прижилась на двигателях не только итальянских марок, но начала размножаться в других странах.

Теперь ФИАТ сделал следующий шаг: впрыск разбит не на две, а на много стадий, следующих одна за другой в течение всего времени горения смеси. Результат? Повышается КПД двигателя, снижается его шумность, а токсичность выхлопа уменьшается на целых 30–40%! Управляет «Мультиджетом» новый контроллер, выбирающий в зависимости от числа оборотов, нагрузки и температурного режима двигателя оптимальное количество «микровпрысков» и объем подаваемого в цилиндр топлива. Так, скажем, при работе с полной нагрузкой снижается выброс сажи, а крутящий момент возрастает. На режиме же прогрева и на холостом ходу главный акцент — снижение шумности работы дизеля.

«Экодрайвер» — это комбинация ДВС и электромотора, тандемно соединенных в единый агрегат. Красиво звучащее слово расшифровывается как Energy Conversion & Driveline Efficient Reengineering (преобразование энергии и экономичный возврат энергии на ходу). Итак, электромотор посажен на вал ДВС перед коробкой передач. Во время разгона автомобиля его «электрическая сила» увеличивает крутящий момент, после чего электродвигатель переходит в режим генератора и подзаряжает мощные аккумуляторы. Особенно большой зарядный ток можно получить при торможении, заодно сберегая колодки от износа.

Мы не ошиблись, сказав «аккумуляторы»: на автомобиле с «Экодрайвером» их два. Один, традиционный двенадцативольтовый, питает маломощные потребители, второй выдает 36 и 150 В для самого электромотора и таких прожорливых агрегатов, как кондиционер или сервоуправление. Мотор-генератор здесь настолько мощный, что может обеспечить движение автомобиля самостоятельно. Такой электромобильный режим задается умной управляющей ЭВМ прежде всего при движении в городских пробках, когда вредный выхлоп ДВС достигает максимума. Стоит начать разгон, как электромотор запустит основной двигатель в работу, сыграв роль стартера. Кстати, подобная система фирмы «Континенталь-Тевес» под названием ИСАД уже обкатывается на «Ситроене», только там генератор объединен с маховиком (ЗР, 1998, № 9). Более того, непосредственно сидящий на коленчатом валу стартер-генератор предлагается ныне практически всеми мало-мальски известными в автомобильном мире поставщиками комплектующих, и потому можно смело утверждать, что век жужжащего по утрам стартера заканчивается.

«Эргоджет» (Engine & Robotized Gearbox Optimization, то есть оптимизация двигателя и роботизированной коробки передач) — «всего лишь» компьютерная программа, связывающая контроллеры двигателя и автоматической коробки передач. Задача ее — оптимальным образом согласовать режим работы мотора и трансмиссии, что позволяет сэкономить до 20% (!) топлива. Динамические параметры оснащенного «Эргоджетом» «ФИАТ-Пунто» оказались близки к версии «Пунто Спортинг», а расход топлива составил при этом лишь 4,5 л/100 км против 7,3 л у «Спортинга».

VVA (Variable Valve Actuation) — варьируемое управление клапанами. Речь идет об индивидуальном управлении процессом открытия и закрытия впускных клапанов, что позволяет оптимально дозировать поступающий в каждый цилиндр воздух. Здесь еще остался старый знакомый — кулачковый вал, но он уже не контактирует непосредственно со стержнями клапанов. Между кулачком и клапаном расположена заполненная маслом камера (рис. 1). Если она полна, система работает как обычный распредвал, если же масла в камере меньше, открытие клапана задерживается. Электромагнитный механизм управляет золотником и может в любой момент приостановить открытие впускного клапана или даже закрыть его с помощью возвратной пружины. Пределы регулировки позволяют вообще отключить любой из впускных клапанов. В итоге — 10–15% экономии топлива, причем на столько же возрастают мощность и крутящий момент двигателя.

А сейчас немного отвлечемся от разработок ФИАТа, потому что конструкторы «Сименса» пошли дальше и решили в двигателе будущего вообще отказаться от кулачковых валов и управлять клапанами с помощью мощных соленоидов (рис. 2). Тут уже можно задавать любую мыслимую программу, причем на каждый клапан индивидуально — полный простор для двигателистов. Но потребление тока системой из минимум 16 соленоидов столь велико, что без мощного генератора напряжением 42 В не обойтись, и здесь «Экодрайвер» окажется как нельзя кстати.

NZEV (Near Zero Emission Vehicle — автомобиль с близким к нулевому выхлопом). Сия новинка находится в стадии разработки и к 2003 году, возможно, получит более звучное название. Речь идет об устранении главного недостатка дизеля — выброса окислов азота и частиц сажи. Причина образования этих вредных веществ в том, что у камеры сгорания есть области с разным соотношением топлива и воздуха и разными температурами. Вблизи форсунок, например, солярки относительно много, а температура низкая. Отсюда — несгоревшие частицы сажи. В другой части цилиндра, напротив, температура высокая, а топлива мало. Тут в результате «сгорания» избыточного воздуха образуются окислы азота. Как выяснилось, между этими областями находится зона, где состав смеси близок к стехиометрическому, то есть количество воздуха точно соответствует необходимому для полного (и чистого!) сгорания солярки. В технологии NZEV первую скрипку играют «Мультиджет» с его распределенным во времени впрыском и VVA с оптимизированной подачей воздуха. Ожидаемый результат: выброс частиц на уровне 0,01 г/км и NOx ниже 0,1 г/км, что на 60% меньше норм Евросоюза, установленных на 2005 год.

Как видим, один только ФИАТ предлагает пять ноу-хау в двигателестроении для наступающего века. А ведь есть еще «Фольксваген» с его неуемным стремлением к крайностям (от «3-литровых» автомобилей до 18-цилиндровых монстров) и предлагающий насос-форсунки сверхвысокого давления для дизелей и послойный заряд смесью цилиндров бензиновых моторов. Есть БМВ, упорно совершенствующий систему «коммон рейл», есть «Пежо», разработавший уникальную систему очистки выхлопных газов... Да и японцы с американцами не дремлют — строят гибридные автомобили.

Кто-то может спросить: ну хорошо, все это практически уже существует, а что дальше? Можно ли что-то еще изменить, улучшить, усовершенствовать в нашем старом добром двигателе внутреннего сгорания? Оказывается, идей хоть отбавляй и касаются они практически всех узлов мотора сверху донизу.

Основа основ — цилиндры с поршнями — почти не изменится, разве что днище поршня будет изрыто впадинами причудливой формы. Это конструкторы попытаются обеспечить заданное движение заряда горючей смеси для оптимизации процесса сгорания. Как известно, чем оно полнее, тем экономичней двигатель, тем меньше вредных веществ вылетает в выпускной коллектор.

В поиске нужных форм осталось поле деятельности и для «свободных художников». Например, 61-летний преподаватель из Иссинга (Германия) Курт Кёниг умудрился получить за изобретенные им поршни сразу две медали — золотую и бронзовую — на Всемирном Женевском салоне изобретений 1999 года! Эти поршни изображены на рис. 3 и, как отмечается, должны привести к весьма ощутимому выигрышу как в экономичности, так и в «экологичности» ДВС будущего.

Шатун тоже пока не потерял своей первозданной формы, хотя подшипники скольжения и уступили место игольчатым, как это сделано в последних моторах австралийской фирмы «Орбитал». Чтобы обеспечить беззазорный стык половинок нижней головки шатуна, ее пришлось предварительно... расколоть, а уже потом вновь свинчивать в одно целое.

Изобретатели-одиночки и здесь идут дальше. Преподаватель из МГТУ им. Баумана в Москве «сломал» шатун посредине. В двигателе В. Конюхова (рис. 4) шатун состоит из двух частей, соединенных шарниром, к которому прикреплена дополнительная поперечная тяга от исполнительного механизма. Перемещая эту тягу по определенному закону, можно добиться удивительных эффектов: например, при вращении коленчатого вала поршень может оставаться на месте или даже двигаться в противоположную сторону! С помощью ЭВМ работа механизма была смоделирована, и перед изобретателями открылись невероятные возможности. Плавно изменяя величину хода всасывания от нуля до максимума (а максимум почти вдвое превышает величину нормального хода поршня!), можно управлять двигателем без дроссельной заслонки, съедающей значительную часть мощности, и получить гораздо больший, чем обычно, крутящий момент. Можно реализовать близкий к адиабатному рабочий цикл, заставляя смесь сгорать при неизменном объеме. Можно оставить в цилиндре часть отработавших газов, что благоприятно скажется на температурном режиме, устранит детонацию и улучшит экологические параметры. Правда, остается проблема — как управлять движением дополнительной тяги в соответствии с заданной программой? Очевидно, эта задача для будущего века, и если не сами авторы, то их последователи смогут успешно ее разрешить.

Закончив с шатуном, обратимся к коленчатому валу. Тут тоже нет-нет да и появляются роликовые подшипники, на каждую шейку приходится до... трех шатунов, а отбор мощности может быть хоть из середины вала.

Не оставляют в покое коленвал и находчивые российские изобретатели. Например, В. Болотов из Старого Оскола придумал эксцентриковое устройство, заменяющее шатунный подшипник скольжения четырьмя шариковыми. Но главная изюминка — в его конструкции нет больше верхней мертвой точки! Благодаря смещению оси коленвала и хитрому профилю его шейки сила от расширяющихся газов в крайнем верхнем положении поршня направлена мимо оси вращения и может совершать полезную работу.

Всех авторов этих изобретений объединяет одно: вера в то, что реализация их идей намного улучшит все параметры ДВС. Будут ли эти идеи востребованы? Не знаем. Но то, что наш старый знакомый остается объектом самой активной конструкторской и изобретательской деятельности, — факт непреложный. И мы с полным правом можем вспомнить знакомые слова: «о сколь еще открытий чудных...»

Рис. 1. Этот механизм ФИАТа уже работает и реально приносит выигрыш в экологии и в мощностных характеристиках.

Рис. 2. «Каждому клапану — по соленоиду и никаких валов» — девиз фирмы «Сименс».

Рис. 3. «Хитрый» поршень Курта Кёнига изготовить не слишком сложно, так что проверка его эффективности не за горами.

Рис. 4. Схема работы шатуна В. Конюхова. Плодотворность идеи подтверждена точными расчетами, но до практической реализации путь не близкий.

Двигатель 1,4 FSI (Fuel Stratified Injection — последний впрыск топлива) для «Фольксвагена-Лупо».

Ошибка в тексте? Выделите её мышкой! И нажмите: Ctrl + Enter

Комментарии