Бунтът на първородния – модерният бензинов двигател като контрапункт на дизеловия (Fuel Injection III)
Първото поколение двигатели с бедни смеси, идва от Япония, но се оказва неособено сполучливо. Десет години по-късно в Германия следва втора вълна от технологични решения в тази област, разчитаща на други принципи на организация на процесите.
Почти едновременно, през 2006 г., германските компании BMW и Mercedes представят своите атмосферни агрегати N53 и M 272 в различни свои модели. От няколко години компаниите инвестират в конструиране на машини, работещи с „разслояване на заряда“ с използва
не на директно впръскване. Германските фирми обаче са научили уроците от несполуките на Mitsubishi, а Mercedes – и от своя неуспешен четирицилиндров агрегат M 271 DE 18 с пълнене с механичен компресор. Двигателят работи с бедни смеси по wall guided процес, но остава в производство едва две години. Може би именно този горчив опит на инженерите от Щутгарт е предпоставка за създаването на шестцилиндровия M 272 DE 35, който впоследствие ще се окаже най-дълго задържалият се на пазара двигател с атмосферно пълнене и работа с бедни смеси, преди да бъде наследен от следващите поколения четирицилиндрови редови (M 274) и шестцилиндрови V-образни мотори (M 276), които пък от 2017 г. са заменени от новите поколения четирицилиндрови (M 260/264) и шестцилиндрови редови агрегати (M 256). BMW много бързо се отказват от тези режими на работа, но архитектурата с централно разположен пиезоинжектор се използва и до днес от двете компании и се смята за най-високотехнологичната, когато става дума за директно впръскване.
Шестцилиндровият V-образен агрегат M 272 DE на Mercedes, представен в CLS 350 CGI през 2006 г., за първи път използва работа с бедни смеси по т.нар. “spray guided” принцип.
Подходът на Mercedes
Всъщност съвместната работата на инженерите от Щутгарт и тези от Bosch в областта на пиезотехнологиите е неизменна част от процеса на възраждане на дизеловия двигател, която впоследствие се превежда и на езика на бензиновия мотор. Ако трябва да сме точни обаче, преводът е доста свободен. Пиезоинжекторите, използвани в бензиновия шестцилиндров двигател M 272 DE 35 (базиран на M 272 KE 35 с впръскване във всмукателните колектори, който от своя страна използва базова архитектура на двигателите Pentastar на Chrysler), и имплантирани в модела CLK 350 CGI от 2006 г., действат по доста различен начин от тези при дизеловия. Налягането, с което функционират, е значително по-ниско (200 бара), но на практика са им делегирани по-сложни изпълнителски функции – докато дизеловият пиезоинжектор има за задача да отвори (различен брой пъти) съответния пропускателен клапан, при бензиновия пиезоелементите задвижват специален щифт, с чиято помощ се определя формата на потока, който преминава през дюзата. Това е единственият начин на облака от впръскано гориво да се придаде необходимата прецизна форма на кух конус. Контурът му се очертава след преминаването през насочен навън отвор с размер от само няколко микрона.
Архитектурата с вертикален инжектор и странично разположена свещ е създадена от Mercedes за работа с бедни смеси; тя се използва от фирмата и до днес, въпреки че тези режими вече не са актуални.
Благодарение на налягането от 200 бара въпросната форма остава непроменена дори и при широко отворени фази на системата за променливо газоразпределение, контролът на които от своя страна е делегиран на мощната електронна система MED7 на Bosch. За разлика от системата GDI второто поколение CGI на Mercedes не преминава рязко от фаза на работа с бедни смеси към работа с хомогенни, а плавно увеличава количеството на горивото, като същевременно увеличава и броя на впръскванията. Отново благодарение на високото налягане още с формирането на въпросния конус се създава готов за запалване слой, а за стабилизирането на формата му спомагат и турбулентните процеси в долната му част. Позицията на пиезоинжектора е в центъра на горивната камера – там, където обикновено се намира запалителната свещ, която от своя страна е поставена под наклон встрани от инжектора, към изпускателните колектори, във възпламеняемата смес на споменатия конус. Мястото й е установено прецизно след множество изследвания – тя трябва да се намира в края на гориво-въздушния облак, без да бъде в директен контакт с течни частици – в противен случай би се покрила със сажди. За да бъде гарантирана оптимална температура на запалителните свещи и инжекторите, е конструирана сложна охладителна система с кръстосан воден поток, чиято циркулация за разлика от конвенционалните мотори напълно се изключва при студен двигател, осигурявайки бързо достигане на работна температура.
Благодарение на цялото това съчетание от конструктивни решения инженерите от Mercedes и Bosch успяват да създадат система, която работи в режими на обеднени смеси в много по-широк диапазон от предишните. Дори и при скорост 120 км/ч CLK 350 CGI продължава да функционира в такъв режим и чак след това преминава към хомогенно пълнене. Благодарение на пиезоелектрическите инжектори може да бъде извършено неколкократно впръскване, спомагащо за подобряване на термодинамичната ефективност, а ефективната помпа за високо налягане осигурява стабилното му ниво от 200 бара дори по време на впръскването. Тъй като при тези условия инжекторите се нагряват значително, за охлаждането им се грижи свързан със охладителната система топлообменник. Подобно устройство охлажда и силно натоварената микропроцесорна система за управление. За ограничаване на нивата на вредните емисии също се грижи сложна система – като начало до 40% от отработилите газове могат да се върнат обратно в цилиндъра при работа в режим на обеднени смеси, за да се намали възможността за образуване на азотни окиси; следват два катализатора с отделни ламбда сонди и два акумулиращи азотните окиси катализатори. Последните ги абсорбират, а по време на кратките регенериращи цикли осигуряват химическата им реакция с останалите газове, така че крайният продукт да бъде чист азот. Към цялата комбинация от технически решения се добавят и сложната система за промяна на фазите на газоразпределение, всмукателни колектори с променлив контур, охлаждаща система с електронен термостат. Резултатът от всичко това красноречив – CLS 350 CGI, който има мощност с двайсет конски сили повече от CLS 350, е със среден разход от 9,1 л/100 км – с 1,5 литра по-нисък от версията със „стандартен“ мотор. Разликата обаче в немалка степен се дължи на тогавашния цикъл на измерване със слабо натоварване на двигателя.
Решението на BMW
Когато през 2008 г. се появява моделът 118i, който има мощност 143 к.с., тоест с 14 к.с. по-висока от тази на своя предшественик, той изразходва в режими на частично натоварване средно с 20% по-малко гориво от него. Разликата се дължи на сложното директно впръскване. При това агрегатът на 118i не е самостоятелна разработка и от тази гледна точка e само един от примерите – след появата през 2006 г. на първите шестцилиндрови двигатели с директно впръскване с турбокомпресори N54, през 2007 г. факт стават шестцилиндровите атмосферни машини N53, работещи с бедни смеси, а впоследствие и въпросните четирицилиндрови N43. Въпреки разликата в детайлите принципът на работа и архитектурата на баварските мотори, тогава използващи система за впръскване на Siemens VDO, са много подобни на тези на гореописаната технология CGI на Mercedes, затова няма да се спираме подробно на тях. За разлика от щутгартските инженери обаче тези от Мюнхен минават по друг път на развитие и се въздържат от разработването на системите за директно впръскване от първо поколение, насочвайки се направо към по-обещаващия spray-guided процес за изгаряне на бедни смеси.
Редовият мотор N53 на BMW, работещ с бедни смеси, използва същия конструктивен принцип като този на Mercedes.
Междувременно те въвеждат в цялата си гама от двигатели системата Valvetronic, управляваща пълненето чрез промяна на хода на клапаните и елиминираща необходимостта от дроселова клапа. Поетапно тя е заменяна с впръскване от второ поколение с пиезоинжектори, а по-късно двете са комбинирани. Всъщност първият агрегат с директно впръскване на баварската компания е 12-цилиндров, но той използва ниско налягане на впръскване и схемното му решение е различно на това на въпросните N53 и N43. При последните налягането достига 200 бара, а горивото се подава от пиезоинжектори на няколко (до 6) порции, с което се оформя конусовидна обогатена зона около свещта. Огромно значение за подобряване на ефективността играе увеличената от 10:1 на 12:1 степен на сгъстяване. Усъвършенствана е системата за променливо газоразпределение, а задвижването на клапаните е с намалено съпротивление в резултат от което максималните обороти са нараснали с 800. Според експертите на компанията гореописаните предимства при работа с бедни смеси могат да бъдат ефективно реализирани само при наличие на гориво с много ниско ниво на сяра. Тъй като отвъд океана бензинът не отговаря на тези изисквания, двата двигателя така и не се предлагат за съответните модели в Америка, където се продават версии с техните предшественици. Това е сериозен проблем за пазарния успех на моделите, а нуждата от сложни системи за обработка на газовете сериозно ги оскъпява. По това време дизеловите двигатели вече са толкова усъвършенствани, че предлагат значителни предимства въпреки по-високата си цена. Атмосферните машини, работещи с бедни смеси, започват да търпят атаки и от новите даунсайзинг агрегати, чийто сбор от качества ги прави по-интересни за производителите. Повече за тези разлики ще ви разкрием в следващата част от поредицата ни. През 2019 г. със своя Skyactiv X Mazda пък показва, че горивният процес с бедни смеси може да има и съвсем друг аспект – този на едновременно самовъзпламеняване. Това обаче е нещо коренно различно.
.
Системата за „прецизно впръскване под високо налягане“ на BMW е създадена с идеята за работа с бедни смеси. Днес архитектурата е същата, но при хомогенните смеси вдлъбнатината в буталото вече не е нужна.
Toyota като привърженик на атмосферните агрегати
Всъщност първият едросериен двигател, работещ с бедни смеси, е дело на Toyota и става факт още през 1984 г., а през 1996 г. компанията представя агрегата с директно впръскване D-4, който може да функционира при съотношение въздух – бензин 50:1. Машината със странично разположени инжектори комбинира различни технологични решения, подобни на тези описани досега при Mitsubishi и Volkswagen, като завихрящи горивната струя инжектори, спираловидни всмукателни колектори, електронни клапани за контрол на завихрянето на въздуха, горивна камера с насочващи ръбове, интегрирана в буталото, управление на фазите на газоразпределение VVT-i и DeNox катализатори. Комбинацията от всичко това и впръскването при различни етапи от движението на буталото позволява създаване на средно ниво на бедна смес и по-богата в зоната около свещта (с впръскване на гориво в последните фази на такта сгъстяване).
Системата обаче се предлага само в модели за японския пазар. Въпреки постепенната еволюция и усъвършенстване на D-4, въвеждането на нови драстични ограничения на емисиите принуждава инженерите да преминат към ограничаване на работните режими само до такива с хомогенно пълнене. Именно такава версия се предлага от 2003 г. и на европейския пазар като задвижващ агрегат за Avensis. Заради всички описани дотук проблеми инженерите на Toyota се насочват към други технологии. През август 2005 г. екипът на Шузио Абе, който тогава отговаря за разработката на нови горивни процеси, изненадва всички свои колеги с екстравагантното си решение да използва в новия двигател 2GR-FSE (първоначално монтиран в Lexus IS 350) комбинирана схема за пълнене, която после се въвежда в новата гама от четири-, шест- и осемцилиндрови мотори на компанията Toyota.
Схеми на по-ранни версии на работещия с бедни смеси двигател D-4 на Toyota. Конструкцията му наподобява тази на Mitsubishi, но го предлагат само в Япония.
Новата тогава технология с два инжектора на цилиндър D-4S – за директно впръскване и за впръскване във всмукателните колектори, противно на първоначалната логика не търси фундаментален начин за работа с бедни смеси, макар че, както ще видим, в отделни случаи за кратки периоди от време съществуват и такива режими. Системата е съвместен проект на инженерите от Toyota и Yamaha, а производството й е поверено на Denso. Въведена първоначално в модели на Lexus, като IS350, GS 350 и GS 450h, днес системата 4D-S може да бъде срещната в най-модерната си версия в актуалните поколения атмосферни двигатели на Toyota като част от модулните технологии TNGA за моделите Yaris, Corolla, RAV4, Camry и т.н. Агрегатите M15A FKS/FXE задвижват новия Yaris, а M20A-FKS/FXS и A25A-FKS/FXS са предназначени за Corolla, Corolla Hybrid, Lexus UX200, C-HR Hybrid, Camry, Camry Hybrid, RAV 4, RAV 4 Hybrid, Lexus ES300. FKS при Toyota са версиите с атмосферно пълнене, степен на сгъстяване до 13:1, работа в отделни случаи по цикъл на Аткинсън и КПД, достигащ 40%. FXE са вариантите за хибриди, работещи по цикъл на Аткинсън, със степен на сгъстяване 14:1 и КПД от 41%. Шестцилиндровият V35A и неговата битурбо версия V35A-FTS за Lexus LS също са оборудвани с D-4S. Наскоро Toyota обяви завършващата фаза в разработката на нови 1,5- и 2,0-литрови турбо агрегати и 2,5-литров атмосферен мотор, които са създадени съвместно с Mazda и Subaru. Те обаче са друга част от историята и също използват опита натрупан при гореописаните.
Днес Toyota все още продължава да залага основно на атмосферното пълнене при бензиновите двигатели, но използва комбинация от директно впръскване и впръскване във всмукателните колектори.
Какъв е смисълът от технологичното решение, използвано при D-4S? При максимално натоварване горивото се впръсква директно в цилиндъра, като по този начин се извличат всички ползи от вътрешното охлаждане. В междинните режими обаче то се разпределя между двата инжектора, като поне 30% преминават през „директните“ инжектори, предпазвайки ги от прегряване. Подобно решение е продиктувано и от факта, че при ниски оборотни режими и средно натоварване горивото, впръскано директно, започва да оформя концентрирани зони на определени места поради ниската скорост на въздушния поток, увеличавайки по този начин продължителността на горене и образувайки сажди. 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 газовият поток и значително се подобрява смесообразуването. Пропорцията се мени постоянно под строгия контрол на електрониката, като в режимите на голямо натоварване се преминава към 100-процентово впръскване с инжекторите за директно впръскване. Помощници в този сложен процес са и специално завихрящите потока всмукателни колектори и клапани.
При стартиране на студен двигател и в някои режими на слабо натоварване електрониката включва режим на „слабо разслояване”– цилиндърът се пълни конвенционално от индиректния инжектор с хомогенна смес, в последната част на такта сгъстяване директният добавя малко количество смес в зоната на свещта, а горивото се подвежда от специално оформена част от буталото. В първия случай запалването се извършва със закъснение, като по този начин се увеличава температурата на отработилите газове и без да се влоши работата на двигателя, катализаторът се довежда по-бързо до работна температура.
Голямо предимство на тази система е и фактът, че обливащият всмукателния клапан инжектор отмива наслояванията, породени от циркулиращи във всмукателния тракт маслени изпарения от клапаните и системата за вентилация на картера. Инженерите на Ford също използват два инжектора за някои от своите агрегати, като 3.5 Ecoboost, но следват друга логика на впръскване.
Концепциите за директно впръскване с бедни смеси
Революционната система за директно впръскване на Mercedes от 2006 г., с помпа за високо налягане, разпределител на горивото, охладител на горивото, пиезоелектрически инжектори и горивни рейка
Впръскването във всмукателните колектори и директното впръскване се реализират чрез доста различи технологични концепции. При индиректното впръскване налягането достига едва 3-4 бара, а горивото „облива” всмукателните клапани. При стартиране на студен двигател част от него не се изпарява и е необходимо сместа да се обогатява, а това увеличава разхода на гориво и вредните емисии. При директното впръскване няма пряк допир на горивото със стените, количеството му може да се регулира по-прецизно, а високото налягане осигурява значително по-добро изпарение и смесване. За последното обаче има налично по-кратко време (още една причина за нуждата от по-високо налягане), а при впръскване по време на сгъстяването струята трябва да преодолява и нарастващото налягане на въздуха. Към позитивите на директното впръскване и „разслояването на заряда“ се добавят и намалените загуби при пълнене – особено в режимите на частично натоварване и работа с бедни смеси (благодарение на работата с широко отворена дроселова клапа), намалените топлинни загуби и подобрената обемна ефективност поради охлаждането на обема на камерата. Това позволява повишаване на степента на сгъстяване и увеличаване на ефективността (дори и при работа само с хомогенни смеси). Отпада нуждата от обогатяване при ускоряване и максимално натоварване, по-прецизен е контролът на дозирането на горивото, намалени са емисиите на въглеводороди и има значителен потенциал за бъдещо развитие и оптимизация. От друга страна, тези предимства се реализират с преодоляването на огромни предизвикателства заради сложния контрол на работата с бедни смеси и на впръскването, необходимостта от нови концепции за пречистване на отработилите газове, съдържащи високо ниво на азотни окиси при работа с бедни смеси, и високата цена на системите.
Wall guided процес, странично монтиран инжектор, Air guided процес (няма го на схемата), странично монтиран инжектор, Spray guided процес, централно монтиран инжектор
Както видяхме, при реализацията на последните конструкторите са стигнали до три различни подхода. При т.нар. spray guided процес, което в свободен превод означава „подвеждан от впръсканата струя”, инжекторът се намира в централна позиция, а формираният от него облак се докосва до свещта. Такова е решението се използваше от BMW и Mercedes. В другите два случая инжекторът е разположен встрани, съосно на всмукателния канал, а впръсканото гориво се насочва към свещта или с помощта на челото на буталото (wall guided като в спрения от производство 1,8-литров компресорен мотор 200 CGI на Mercedes, Mitsubishi GDI и Toyota D4), или с помощта на сложно организирани турбулентни потоци – air guided (в своите FSI двигатели VW реализира комбинация от тези две системи).
1,8-литровият TFSI на Audi (EA 888 Gen.3 ) използваше два инжектора на цилиндър, преди да бъде въведен 2.0 TFSI (EA 888 Gen.3B).
Първата от трите системи имаше най-голям потенциал, но беше и най-скъпа. От друга страна, системата FSI отдавна не използва подобни режими, а при използването на хомогенна смес впръскването се осъществява още по време на всмукателния такт. Всички тези машини отстъпиха пред новите даунсайзинг агрегати, при които съотношението от предимства и недостатъци се оказа много по-благоприятно. Те обаче наследиха директното впръскване именно от моторите с бедни смеси.
Модерният бензинов агрегат M 256 с принудително турбо- и електрическо пълнене и вертикални инжектори използва само хомогенни смеси.
Тази статия, под една или друга форма се допълва от предишните материали, свързани с развитието на системите за впръскване на гориво и всички останали статии разкриващи историята на двигателите с вътрешно горене и горивните процеси в секцията „Анатомията на автомобила“.
(следва)