Краят на даунсайзинга и бъдещето на бензиновия мотор

Краят на даунсайзинга и бъдещето на бензиновия мотор
01 Oct 2024

Четиритактовият двигател на Ото заработва за първи път през 1876 година и до днес продължава да бъде един от най-важните индустриални фактори за човечеството. Директното впръскване при бензиновите двигатели пък вече е нещо естествено. Независимо дали става дума за модерен турбомотор, или за агрегат с атмосферно пълнене. Как ще се развива оттук насетне „двигателят на Ото“?

Както видяхме, по ред причини двигателите с атмосферно пълнене, директно впръскване и работа с бедни смеси от първо поколение не успяват да се наложат. С настъплението на дизеловите машини и новите даунсайзинг мотори в началото на второто десетилетие на новия век тяхната съдба сполетява и второто поколение изключително сложни агрегати, като машините на Mercedes и BMW. Баварците бързо се отказват от тези режими, след няколко години производство е изоставен и M 272 DE на Mercedes. За известен период от време Mercedes използва негова версия на M 272 с впръскване във всмукателните колектори и Аткинсън цикъл за модела ML 450 h, чието изключително сложно, но ефективно хибридно задвижване Two Mode Hybrid е плод на съвместна разработката с GM и BMW. Междувременно двигателите с намален работен обем и турбопълнене трайно заемат позицията на нова тенденция при бензиновите агрегати.  

 

Двигателят с вътрешно горене на Ото има зад гърба си вече почти 150 години история

Изминали са 20 години от представянето на авангардния EA111 Twincharger на Volkswagen, който при появата си се превръща в малка революция. Подобно решение за принудително пълнене не е новост, но до този момент такива технологии са използвани само от състезателни машини като Lancia Delta S4. Замяната на двулитрови агрегати с атмосферно пълнене с 1,4-литров мотор с механично и турбопълнене от страна на VW е първата съществена стъпка към понижаване на разхода на гориво чрез намаляване на работния обем. Използването на работата с бедни смеси и днес остава възможен вариант за намаляване на разхода на гориво, но контролът на горивните процеси при високите налягания на пълнене и горене при турбодвигателите е много по-труден. За сметка на това две десетилетия след представянето на Twincharger може да се каже, че процесът на даунсайзинг вече е приключен и се разви по доста своеобразен начин. Приключен – защото допълнително намаляване на обема под достигнатите нива за съответните класове на мощност вече е безпредметно и конструктивно невъзможно. Развитието на турботехнологиите и новите електрически системи с напрежение 48 волта и нагоре вече прави излишно и използването на допълнителен механичен компресор – единствено при много мощни за своя работен обем машини могат да се използват допълнителни компресори, задвижвани от електромотори. Горивните процеси с бедни смеси засега са оставена настрана, но не се изключва следващите поколения турбоагрегати вече да разполагат с такива режими. Както ще видим подобни неща се случват във Формула 1. Въпросът е на баланс на качествата и необходимостта от допълнителна обработка на газовете, което влошава ефективността и намалява резултата от сложния процес.

Един от пионерите в областта на даунсайзинга – 1.4 Twincharger на Volkswagen 

Турбо или не, изберете сами

И така, 20 години след началото на модерния даунсайзинг се забелязва ясната тенденция европейските автомобилни производители да се насочват изцяло към турботехнологиите, развивайки вече утвърдената даунсайзинг тенденция с добавяне на нови, още по-високотехнологични горивни процеси, работа по цикъл на Милър, турбокомпресори с променлива геометрия (VW), охладени отработили газове, микрохибридна техника, изключване на цилиндри, електрически компресори, впръскване на вода и прочее. Един екстремен пример за всичко това е двигателят Tiny Friendly Giant на Koenigsegg с три цилиндъра, двулитров работен обем и 600 к.с. Същото важи и за агрегатите от Формула 1, чийто КПД, благодарение на усвояването на енергията на газовете с помощта на електрически генератор и специфичния горивен процес достигна и надмина границата от 50 процента, изравнявайки се с този на бавнооборотните двутактови корабни дизели с терморегенерация. Но за тях ще стане дума по-късно.

От другата страна стоят японските компании, чиито технологични решения в областта на даунсайзинга са доста разностранни. Honda например премина почти изцяло към турбомашини с гамата си 1.0-, 1.5- и двулитрови агрегати Earth Dreams (преди да акцентира върху хибридите си, с двигатели отново с атмосферно пълнене), но засега, преди очакваното начало на новото поколение бензинови мотори спектърът на Toyota се свежда до един 1,2-литров (8NR-FTS) и един двулитров турбомотор (8AR-FTS). 3,5-литровата битурбо машина за Lexus LS е по-скоро екзотика. С навлизането на изискванията за емисии Euro 6d-Temp в Subaru се отказаха не само от дизеловия си боксер, но и от 1,6-литровия си турбоагрегат.

Всъщност сложните хибридни системи са относително редки явления. Споменатата екзотична Two Mode хибридна система на GM и архитектурата на Chevrolet Volt/Opel Ampera останаха в миналото. Хибридните системи с паралелно-последователна архитектура на Toyota и на Renault които нямат нищо общо помежду си са единствените по рода си, към тях могат да се причислят и решенията на Honda и Nissan със архитектура на последователен хибрид, като единствено Nissan използва за задвижването си турбо двигател (в конкретния случай с променлива степен на сгъстяване). Европейските производители вече използват mild или plug-in хибридни системи за задвижване. Чисто хибридните системи на гореспоменатите производители като Toyota, Nissan, Honda и Renault  обаче имат малък дял на електрифициране и не осигуряват значителни пробези с чисто електрическо задвижване.

Пълнохибридните системи на Toyota, вече са символ на марката и олицетворение на зряла, надеждна и ефективна технология.  

Вместо един паралелно свързан мощен електромотор и батерия с голям капацитет се използват два мотор-генератора, обединени в планетарен механизъм с двигателя с вътрешно горене. Така последният може да се разглежда като единно цяло с хибридната система, действайки в общ енергиен кръговрат, позволяващ на топлинната машина да работи в по-ефективния цикъл на Аткинсън и в ограничени по отношение на натоварването и оборотите зони с по-нисък специфичен разход за всяка генерирана конска сила. Актуалното поколение агрегати Dynamic Force на Toyota са изцяло с атмосферно пълнене, но пък с две системи за впръскване, цикъл на Аткинсън (работещ в по-широк диапазон при версиите, съчетани с хибридни системи) и висока степен на сгъстяване. По отношение на последната подобен подход Mazda въведе още през 2012 г. с двигателите си Skyactiv G, които се оказаха успешна алтернатива – и до ден днешен тези бензинови агрегати са сред най-икономичните, въпреки че не следват постулатите на даунсайзинга. Вече утвърден в практиката е и агрегатът Skyactiv X, работещ с бедни смеси, но не с плавно развиващ се факелен фронт, както всички описани в тази поредица машини, а с цялостно обемно самовъзпламеняване. Стабилно в зоната на даунсайзинга настъпиха и корейските компании.

Макар да разработи даунсайзинг турбо мотори като 1.2 D4-T Toyota продължава да обича атмосферните машини…

…каквито са агрегатите от актуалното поколение Dynamic Force с висока степен на сгъстяване и Аткинсън цикъл.

Един от най-големите новатори в областта на даунсайзинга стана Ford, осмелил се пръв да въведе трицилиндров еднолитров агрегат, който, въпреки че беше последван и от мотори на Opel, Renault и PSA (1,2 литра), си остана еталон в своя клас. Гамата от Ecoboost мотори на Ford става все по-широка и в Щатите, все по-често срещани са турбомоторите и в гамата на GM. Двигателите FireFly на Fiat с работен обем 1,0 и 1,3 л и съответно три и четири цилиндъра също е пример за модернизъм – в по-мощната си версия 1,3-литровият мотор развива 180 к.с. След обединението с PSA в Европа те вече няма да бъдат използвани, но за сметка на това за пазарите на Южна Америка, дори модели на Peugeot се задвижват от това двигатели. Отговорност за големите агрегати (с обем над два литра) в концерна Volkswagen пък имат инженерите на Audi. Те съчетават почти всички модерни технологични решения, които могат да бъдат въведени в бензинов мотор.

В 2.5 T Mazda все пак реши да използва турбокомпресор, но той е със сложен динамичен контрол на енергията на газовете и Милър цикъл. Освен бензиновите двигатели с висока степен на сгъстяване и атмосферно пълнене гамата включва и Skyactiv X с механичен компресор (на снимката).

Всички тези двигатели обаче имат нещо общо помежду си и това е директното впръскване. Появилите се за кратко като алтернатива даунсайзинг турбомотори, като 1,4- и 1,6-литровите варианти на Opel, бърза бяха заменени с по-модерни агрегати с директно впръскване, а двуцилиндровият TwinAir на Fiat си остана частен случай.

Директното впръскване има своите недостатъци и ние ви разказахме за тях в предишната част на поредицата. То обаче идеално се допълва с принудителното турбопълнене. След години на блуждаене и периоди на активизиране и спад на интереса то най-после намери мястото си под слънцето. От прохождането в леките автомобили през 70-те години с пионерните начинания на BMW, Porsche и Saab, през екзотичните японски машини от 80-те и мощните спортни версии от 90-те, турбокомпресорът намери своето амплоа като технически компонент на модерните двигатели с вътрешно горене. Но как ще се развива бензиновият двигател оттук насетне? На следващите редове ще ви разкажем за решенията на производителите в това отношение.

Макар и трилитров M256 на Mercedes е пример за екстремен даунсайзинг – за постигане на мощност от 435 к.с. и 520 Нм той изполва голям турбокопресор и електрически компресор (на BorgWarner).

Даунсайзинг срещу модерно атмосферно пълнене

Има логика в този преход. По-малкият турбоагрегат има редица предимства пред по-големия атмосферен мотор. При този тип двигатели съществено се намалява вътрешното триене заради по-малкия работен обем и брой цилиндри, съответно брой клапани и лагери. Не трябва да забравяме по-малката маса на движещите се части и цялостното намаляване на теглото. Различна е и динамиката на флуидите във всмукателния тракт. Докато при атмосферния агрегат при ниско и средно натоварване зад дроселовата клапа и в цилиндъра се създава силно разреждане, което изисква допълнителна работа от страна на двигателя, при турбомашините помпените загуби се намаляват на базата на факта, че във всмукателния колектор компресорът създава налягане, което подпомага пълненето, намалявайки разхода на енергия и създавайки дори натиск върху буталото. Възможностите на системите за променливо газоразпределение спомагат за задържане на едновременното отваряне на всмукателните и изпускателните клапани и продухването на цилиндъра от отработилите газове, а след това в цилиндъра се вкарват охладени отработили газове (т.нар. Cooled EGR), които увеличават количеството на общия флуид и работата с по-широко отворена дроселова клапа. Директното впръскване е много важен елемент от уравнението, защото осигурява вътрешно охлаждане на горивната камера, където работното налягане е по-високо от това при атмосферните машини. Според изследвания значителното увеличаване на налягането води до много до-добро смесване на горивото. От тази гледна точка архитектурата с централно разположен инжектор, като тази на BMW и Mercedes, създадена за работа с бедни смеси, също е много ценна – централното позициониране на инжектора в съчетание със силен турбулентен поток е много важно за доброто смесване на въздух и гориво, макар че конструкцията на инжекторите вече не изисква конусовидна форма на струята. Важно предимство на даунсайзинг моторите е и високото работно налягане на горивния процес, което при добре организирано съчетание от турбулентен процес и дози на EGR води до намаляване на нивото на азотните окиси – колкото и странно да звучи това. В случая инженерите говорят за по-висока „вътрешноцилиндрова въздушна маса и увеличаване на топлинния капацитет“, водещи до по-ниски температури на горивния процес. По-високото налягане естествено води и до подобряване на термодинамичната ефективност – образно казано, заради по-голямата близост на молекулите на горивото и въздуха, респ. реакциите между тях, и по-малките загуби заради по-малките площи на топлоотдаване.

Всичко това обаче е само теоретичната част на нещата. На практика модерните двигатели с турбопълнене имат много по-оптимална крива на въртящия момент с много по-ранно настъпване на неговия максимум в сравнение с еквивалентните си атмосферни събратя. Това осигурява възможност за по-ранно преминаване на по-висока предавка и работа на двигателя в по-ефективни режими.

Ако се вгледаме в характеристиките на два подобни агрегата, ще разберем за какво става дума. Да вземем за пример BMW и техния последен високотехнологичен двигател с атмосферно пълнене N53 с работен обем 3,0 литра във версията с мощност 255 к.с. постигани при 6600 об./мин и с въртящ момент 310 Нм в интервала 2600–5000 об./мин. Модерният турбомотор B48 с работен обем два литра и двуструен турбокомпресор постига същите 245 к.с. още при 4500 об./мин (и ги поддържа до 6500 об./мин) и има въртящ момент от 400 Нм в интервала 1600–4000 об./мин. Сухите наглед числа обаче водят до ясни тълкувания. Дори когато отчетем факта, че в реалният живот двигателят не се използва по кривата на максималния въртящ момент, а в по-ниска „работна точка“, ще открием при ниските обороти достатъчен запас от тяга, за да се осигури стабилна работа при по-ниска предавка с по-широко отворена дроселова клапа, по-ниски помпени и загуби от триене и по-добра ефективност (повече за това можете да прочете в статията ни "Кривата на максималното удоволствие"). Бонус в това отношение са и по-добрите динамични параметри, както и производственото удобство - на базата на един хардуер могат да бъдат реализирани агрегати с различни характеристики. Голяма част от еднолитровите трицилиндрови турбодвигатели днес имат по-висок въртящ момент и го постигат при по-ниски обороти от иначе високотехнологични модерни двулитрови атмосферни агрегати. Може би затова човек може да си купи баварски автомобил с един или два, но не и без турбокомпресор.

Модерният B58 на BMW, олицетворяващ еволюцията на бензиновия двигател.

BMW демонстрира и факта, че чрез съвременните възможности на системите за впръскване на гориво и прецизната електроника конструкторите ще могат отново да се върнат към идеята за впръскване на вода и допълнително охлаждане в цилиндрите. Подобно решение се използва при голямо натоварване (в качеството на горивно-водна емулсия) и осигурява значително намаляване на склонността към детонации, благодарение на което става възможно да се увеличи геометричната степен на сгъстяване и да се повиши ефективността в целия работен диапазон. Преди години баварците демонстрираха и две поколения на своя Tubosteamer, в който топлината на отработилите газове и на охладителната система на бензинов двигател служеше за задвижване на парна машина или парна турбина, свързани с коляновия вал за постигане за по-висока ефективност. Днес двигателите от Формула 1 използват част от енергията на газовете, за да произвеждат електричество. Това е добра насока, както показва новият Porsche 911 GTS. Audi пък демонстрира как може да се повиши ефективността на бензинов турбомотор с използване на разновидност на цикъла на Милър в своя 2.0 TFSI EA888 Gen 3b. Благодарение на електронното управление, директното впръскване на гориво, двуструйните турбокомпресори и възможността за интеграция на изпускателните тръби в главата с цел охлаждане на газовете, турбомашините имат далеч по-благоприятни и функционални за ежедневието характеристики от съответстващите им атмосферни бензинови агрегати. Вече култовият 1.0 EcoBoost на Ford постига своите 170 Нм въртящ момент още при 1400 об./мин.

Още един пионер на даунсайзинга - трицилиндровият 1.0 Ecoboost на Ford 

Аткинсън или Милър

Циклите на Аткинсън и Милър винаги извикват асоциация за повишена ефективност, но между тях често не се прави разлика. Може би няма и смисъл, защото и при двата промените се свеждат до една фундаментална философия – създаването на различна степен на сгъстяване и разширение при четиритактов бензинов мотор. Тъй като при конвенционалния двигател тези параметри са геометрически еднакви, бензиновият агрегат страда заради опасността от детонации на горивото и степента на сгъстяване се ограничава. Ако по някакъв начин може да се постигне по-висока степен на разширение, това би довело до по-високо ниво на „екструдиране“ на енергията на разширяващите се газове и повишаване на ефективността на двигателя. Интересно е да се отбележи, че чисто исторически нито Джеймс Аткинсън, нито Ралф Милър създават своите концепции, за да търсят ефективност. Аткинсън разработва и през 1887 г. патентова сложен триелементен коляно-мотовилков механизъм (подобие на него днес можете да откриете в двигателя VC Turbo на Infiniti) чиято задача е да се избегнат патентите на Ото. Резултатът от сложната кинематика е осъществяване на четиритактов цикъл в рамките на един оборот на двигателя и различен ход на буталото при процеса на сгъстяване и разширение. Много десетилетия по-късно този процес ще бъде осъществен с помощта на задържане на всмукателния клапан отворен за по-дълго време и почти без изключение се използва при двигателите, комбинирани с конвенционалните хибридни системи за задвижване (без възможност за външно електрическо зареждане), като тези на Toyota и Honda. При високи обороти това не е проблем, защото нахлуващият поток има инерция и при обратно движение на буталото тя компенсира връщания въздух. При ниски обороти обаче това води до неустойчива работа на двигателя и затова подобни агрегати се комбинират с хибридни системи или не използват цикъл на Аткинсън в тези режими. По тази причина двигателите с атмосферно пълнене и задържане на всмукателния клапан отворен се приемат условно за работещи по цикъл на Аткинсън. Това обаче не е съвсем правилно, защото идеята за реализиране на различни степени на сгъстяване и разширение чрез управление на фазите на отваряне на клапаните принадлежи на Ралф Милър и е патентована през 1956 г. Замисълът му обаче също не цели постигане на по-голяма ефективност, а намаляване на степента на сгъстяване и съответно използване на по-нискооктанови горива в авиационни двигатели. Милър разработва системи както с по-ранно затваряне на всмукателния клапан (Early Intake Valve Closure, EIVC), така и с по-ранно затваряне на същия (Late Intake Valve Closure, LIVC), а за да се компенсира недостигащият въздух или да се задържи връщащият се във всмукателните колектори въздух, се използва компресор. Интересно е да се отбележи, че първият подобен двигател с асиметрични фази, работещ по дефинирания по-късно като „Милър цикъл процес“ е създаден от инженерите на Mercedes и използван в 12-цилиндровия компресорен двигател на спортния W 163 от 1939 г.

Наследените от атмосферните двигатели системи за управление на хода и фазите на клапаните днес се използват от производители като Audi и за промяна на цикъла на работа на двигателя.

 

Първият сериен модел, използващ цикъл на Милър, е на Mazda – агрегатът KJ-ZEM V6 на модела Millenia от 1994 г. При него всмукателният клапан се затваря по-късно и по този начин част от въздуха се връща към всмукателните колектори, като степента на сгъстяване на практика се намалява, а за да се задържи въздухът, се използва механичен компресор Lysholm. По този начин степента на разширяване е с 15 процента по-висока от тази на сгъстяване. Загубите, възникващи при противосгъстяването на въздуха от буталото срещу компресора, се компенсират от подобрената крайна ефективност на двигателя.

Стратегиите с много късно и много ранно затваряне имат различни предимства при различни режими. При малко натоварване по-късното затваряне има преимущество, защото осигурява по-широко отворена дроселова клапа и поддържа по-добра турбулентност. С увеличаване на натоварването предимството преминава на страната по-ранното затваряне. Последното обаче става по-неефективно при високи обороти заради недостатъчното време за пълнене и голямата разлика в налягането преди и след клапана.

Екстремно късата фаза на отваряне на всмукателните клапани при частично натоварване е предпоставка за реализирането на цикъл на Милър при 2.0 TFSI (EA 888 Gen 3b.) 

Решенията на Audi и Volkswagen

Подобни процеси използват Audi и Volkswagen в своите агрегати 2.0 TFSI (EA 888 Gen 3b) и 1.5 TSI (EA 211 Evo2), към които впоследствие се присъедини и трицилиндровият 1.0 TSI. Те обаче използват технологията с изпреварващо затваряне на всмукателния клапан, при която разширяващият се въздух след ранното затваряне на клапана се охлажда. От Audi и VW наричат този процес B-cycle на името на инженера от компанията Ралф Будак, който усъвършенства идеите на Ралф Милър и ги прилага при двигатели с турбопълнене. При геометрична степен на сгъстяване от 13:1 реалната степен е около 11,7:1 – сама по себе си изключително висока за двигател с принудително пълнене. Главна роля във всичко това играе сложният механизъм за отваряне на клапаните с променливи фази и ход, което допринася за завихрянето и се регулира в зависимост от условията. В двигателите, използващи B-цикъл, налягането на впръскване е увеличено до 250 бара. Микроконтролери управляват плавния процес на смяна на фазите и преминаване от B-процес към конвенционален Ото цикъл при високи оборотни режими. Освен това 1,5- и еднолитровият двигател се използват бързореагиращи турбокомпресори с променлива геометрия. Охладеният предварително сгъстен въздух осигурява по-добри условия от гледна точка на температурата в сравнение с директното сгъстяване в цилиндъра. За разлика от високотехнологичните VTG турбокомпресори на BorgWarner за Porsche, използвани за по-мощните модели, агрегатите на VW, създадени от същата фирма, на практика са леко модифицирани турбини за дизелови двигатели. Това е възможно благодарение на факта, че заради всичко описано дотук максималната температура на газовете не надвишава 880 градуса – тоест съвсем малко по-висока от тази при дизелов двигател, което е индикатор за висока ефективност.

Двулитровият EA888 Еvo Gen. 3b на Audi е един от най-високотехнологичните бензинови турбо мотори. Той работи по цикъл на Милър с ранно затваряне на всмукателните клапани.

За разлика от останалите бензинови Skyactiv мотори на Mazda агрегатът Skyactiv G 2.5 T е оборудван с турбо и работи в широк диапазон от натоварване и обороти в цикъл на Милър. Склонността към детонации се регулира с помощта на охладени отработили газове. За този подобряващ ефективността принцип, за останалите споменати придружаващи технологии при бензиновите мотори и за работата на спортните двигатели във Формула 1 както и за решенията на Porsche и Koenigsegg ще ви разкажем в следващата част от поредицата ни.

(следва)

 

Сбогом V10!
Свързани новини