Век и половина по-късно: Ултиматумът на модерния двигател с вътрешно горене

31 Oct 2024

 

Ще съществува ли и какъв ще бъде, създаденият преди 150 години, бензинов двигател с вътрешно горене след 30 години, никой не знае. Но какъв ще бъде в следващите десет, все пак можем да предположим. Бъдещето на технологичните решения в тази област. Някои от тях в най-екстремния им вид.   

Ако трябва да правим аналогии с човешкото тяло, за тази рубрика по-подходящо би било името „Физиология на автомобила“. Може би бихте ни обвинили в пристрастия към процесите в двигателите с вътрешно горене, но моля ви не бързайте – ще отделим  време и за електрическите автомобили. Всъщност в сайта вече има доста обширен материал свързан с различните видове електрическите мотори с техните предимства и недостатъци.

От друга страна погледнато в процесите в двигателя с вътрешно горене има повече подобие с процесите в човешкото тяло. Ефективността при превръщане на химическата енергия в механична при него е близка до тази на бензинов двигател или около 25 процента. Сериозен разход на енергия изисква поддържането на електрическите потенциали във всички живи клетки (невроните използват тези електрически потенциали за нервните импулси). И в двата случая (ДВГ и двигателни мускули) енергията се осигурява от трансформирането на химическата енергия съхранена във въглеводороди в механична. Мускулните структури съдържат така наречените „моторни групи“ включващи мускулни влакна от гликолитичен (Type IIa и Type IIx) или оксидативен тип (Type I) –  управлявани от различни неврони структури и с различен химически път на усвояване и преобразуване на енергията (както личи по имената, с ограничено или активно участие на кислород).

Първите отговарят за осигуряването на кратките интензивни интервали на натоварване като спринтови бягания или вдигане на тежести, а вторите – за продължителните натоварвания като дълги бягания. В реалните спортни дейности те неизменно работят съвместно в различни пропорции, прехвърляйки щафетата едни на други в зависимост от условията и изразходвайки енергия основно от мастни киселини и въглехидрати. По подобие на автомобилите енергията се съхранява в резервоари, било в мастни депа, в кръвотока, като гликоген в мускулите, черния дроб и т.н.. Дори от анатомична или по-точно от биомеханична гледна точка тялото има близост с двигател с вътрешно горене – стига да погледнем движенията на ставите на краката и ги сравним с тези на коляново-мотовилковия механизъм. Както и във факта че мускулите извършват възвратно постъпателно движение.

Разбира се биохимическите процеси в човешкото тяло са много по-сложни от химическите в  двигателите с вътрешно горене и не са свързани с пряко окисляване на въглеводородите под формата на горивен процес, а с извършване сложен кръговрат на химически преобразувания преминаващи през глюкоза, ATФ и т.н. И както двигателите човешкото може да има различна ефективност – бягането с 20 км/ч което за нас обикновените хора вече е спринтово, изисква пълно задействане на „силовите“ мускулни влакна и може да трае за съвсем кратко време, за един елитен маратонец е бягане, което той може да поддържа в продължение на два часа – следователно в сферата на работа на мускулните влакна за издръжливост. При бегач на спринтови дистанции от 100 и 200 метра силовите мускулни влакна на мускулите на задната група на подбедрицата например са приблизително 76 процента, а тези за издръжливост 24 процента. При маратонците пропорцията е съответно 21 на 79 процента или приблизително обратна. Всичко е въпрос на тренировки и включва развиване на цялостен комплекс от качества като способността на кръвта да пренася хранителни вещества и кислород, броят на клетъчните митохондрии в които се генерира енергията от АТФ и т.н.. В спортовете един от параметрите за ефективност е способността на организма да приема, пренася и усвоява кислород, респективно въздух (нарича се VO2 Max). И тук отново можем да направим сравнение с двигателя с вътрешното горене и способността му да поеме достатъчно въздух и да го усвои.

Екосистемата на модерното автомобилостроене

Но да спрем дотук с подобни аналогии. Извинете ни за отклонението, но темата е изкушаваща.  И може би по-нататък ще засягаме подобни. Както например и за подобията между материалите за обувките за бягане и автомобилните гуми.

Засега да се върнем към темата за бъдещето на двигателя с вътрешно горене и в по-голяма степен на бензиновия, век и половина след създаването му. Наскоро шефът на финансовия и IT отдели на Porsche Лутц Мешке спомена че Porsche ще промени стратегията си спрямо задвижването с бензинов двигател и ще запази не само 911, както доскоро се планираше, но и 718 и Cayenne като модели с двигатели с вътрешно горене. Като част от този процес фирмата патентова вариант на двигател с шесттактов цикъл, който е интересно съчетание от решения, като има подобия с пълненето при двутактовите дизелови мотори с отвори в долната част на цилиндровите стени, с оригиналния двигател на Аткинсън с различни ходове при всмукване и сгъстяване и използва планетарен механизъм подобен на този използван при ванкеловите двигатели (да не забравяме че оригиналният ванкелов двигател има един статор и два ротора, а конструкцията която добре познаваме е модификация на Ханс-Дитер Пашке от NSU, факт заради който Феликс Ванкел е много обиден и дори има намерение на скъса отношения с NSU). Като част от тази поредица ще ви разкажем за този патент, за хибридното задвижване на Porsche 911 Carrera GTS, като и за патента на Mazda за двутактов двигател, а също и за разработките на различни инженерингови компании и доставчици с изключителен развоен потенциал като Delphi, Denso, Bosch, Siemens, Continental, BorgWarner, Honeywell, Federal Mogul, AVL List и Ricardo. Ще разкажем специално и за възможностите, които осигуряват синтетичните горива за създаване на нови процеси. Преди това обаче нека поговорим за едни други технологични решения, които вероятно също ще играят важна роля в бъдещите автомобили с ДВГ. 

 

  

Mahle и предкамерното впръскване ала дизелов мотор

И така…През 2010 г. компанията Mahle патентова авангарден процес за запалване на гориво-въздушната смес, който нарича Turbulent Jet Ignition. При него сместа се разделя на две части – една в предкамера с нормално за запалване съотношение и една, по-бедна, в останалата част на цилиндъра. Подобни, но доста по-рудиментарни системи създава още в началото на ХХ век Хари Рикардо в своите двутактови двигатели Ricardo Dolphin, а през 70-те години Honda в своя CVCC мотор, задвижващ Civic, за който ние тук неведнъж сме разказвали. Системата на Mahle обаче използва модерни материали, конструкции и електронно управление, за да реализира процес, в който възпламенената от свещ смес в предкамерата се „изстрелва“ към останалата част през отвори, създавайки мощни факли. Последните притежават достатъчно кинетична енергия, за да запалят останалата по-бедна смес. Като общ принцип тази система в известна степен наподобява използваната в предкамерните дизелови двигатели, но с доста различна механика.

Mahle създава процеса първоначално за работа с водород с цел възпламеняване на много бедни смеси. Поради ниската инициираща енергия, необходима за запалване на иначе високооктановия водород, в цилиндъра често протичат спонтанни процеси на самовъзпламеняване при наличие на хомогенни смеси – с подобни проблеми инженерите на BMW се сблъскват постоянно при своите проекти на захранвани с водород двигатели в края на миналия и началото на настоящия век, а отскоро и тези на Toyota. Ако сте следили нашата поредица ще откриете информация за разработки на двигатели работещи с бедни смеси, реализирани по различни начини – от старите технологии на Mitsubishi и VW до по-модерните на Mercedes и BMW, които стават основа на актуалните системи за впръскване на бензин на тези компании. Нито една обаче не използва за серийните си автомобили процес подобен на този на Mahle. Впоследствие от Mahle усъвършенстват системата, създавайки активна и пасивна версия за работа с бензин. Първата е с два инжектора (във всмукателните колектори и директен в предкамерата), а втората само с един (за директно впръскване), като двете зони се формират на базата на газообмен, осъществен вследствие на разликата между налягането в основната камера и в предкамерата.

 

Решението на Maserati

Пасивна е и системата използвана от Maserati за 3,0-литровия двигател Nettuno с два турбокомпресора и 620 к.с. мощност, задвижващ модела MC20 и използващ компоненти от двигателя 690T на Alfa Romeo, от своя страна базиран на агрегата на Ferrari F154. По-важна тук е конструкцията на главата, която осигурява нов авангарден горивен процес, с въпросната пасивна предкамера. Освен това моторът използва две свещи – една във въпросната пасивна горивна камера и една в основната, която се използва в съчетание с другата при режими на частично натоварване за стабилизиране на горивния процес (между 20 и 40 процента в зависимост от оборотните режими). Въпреки високотехнологичния характер на решението на Mahle с активна камера, то е много трудно приложимо извън моторните спортове, тъй като работата на бедни смеси създава затруднения за каталитичните конвертори и безкрайно много усложнява работа на системите за обработка на отработилите газове. За разлика от нея системата на Maserati, за която компанията притежава патент използва нормални (ʎ =1) смеси, а запълването на камерата с гориво-въздушна смес става по време на процеса на сгъстяване. Идеята в цялата технология е че формираните от предкамерата към основната камера горивни струи увеличават кинетичната енергия на потока (можете да прочетете повече за това в поредицата материала ни за горивните процеси в Анатомията на автомобила) и осигуряват по-висока кинетична енергия, по-бърз процес на горене, даващ възможност за увеличаване на степента на сгъстяване (няма достатъчно време за детонации), работа с по-голямо количество EGR (също спомагащ за намаляване на склонността към детонации).

Както при буталата, използвани във Формула 1, струите след предкамерата се насочват към специално формирана камера в самото бутало където продължава процесът на горене, преди да се развие след това в хода на неговото движение. Системата използва два инжектора на цилиндър – един във всмукателните колектори, осигуряващ достатъчно време за смесване (и избягване на необходимостта от използване на нужните при директно впръскване, създаващи турбулентни потоци всмукателни канали) и един за директно впръскване за създаване на охлаждащ ефект при голямо натоварване. Размерът и пропорцията на предкамерата спрямо основната камера от своя страна е прецизно изчислен, така че да няма голяма площ, респективно загуби на топлина (около нея има охладителни контури) и канали, които да не са предпоставка за създаване на прекалено голяма кинетична енергия на факелните фронтове. Все пак тя няма за задача да инициира запалване на бедни смеси и е с относително по-малък размер от тези използвани за машините от Формула 1. Алгоритъмът за последователността на запалване на двете свещи и времевото отстояние между тях също е фактор за определяне на скоростта на процесите в зависимост от натоварването – като например ускоряване на процеса при голямо натоварване, или забавяне при студен двигател за повишаване на температурата на отработилите газове и нагряване на катализатора. Благодарение на всичко това, според Maserati, тази технология позволява подобряване на качеството на горивния процес, значително намаляване на разхода на гориво или повишаване на литровата мощност с по-високо налягане на пълнене и допълнителен даунсайзинг на мотора. И, в края на краищата отново намаляване на разхода на гориво.  

   

Turbulent Jet Ignition във Формула 1

При промяната на правилата във Формула 1 от 2014 г. инженерите от Mercedes модифицират системата на Mahle така, че инжекторът да осигури необходимата по качество смес в предкамерата и в цилиндъра. Впоследствие Mahle доставя системата на Ferrari, а по-късно тя е възприета и от Renault и Honda. Бързото и ефективно протичане на горивния процес е особено важно при високи оборотни режими; именно начинът на организацията му е един от факторите, заради които се смята, че топлинната ефективност на тези двигатели надвишава 46 процента. Когато към това се добави и използваната от системата MGU-H кинетична и топлинна енергия на газовете, която се съхранява във вид на електричество в акумулатор, става ясно защо коефициентът на полезно действие на системата вече достига 55 процента. За съжаление от 2026 година MGU-H няма да се използва във Формула 1, но пък вече беше въведена от серийни модели на Mercedes (двигателят M139 с турбокомпресор на Garrett Motion) и Porsche (новият двигател 9A3B6 за 911 Carrera GTS, вероятно с турбокомпресор на BorgWarner) .    

Подобни на гореописаните, наред с процеси като SPCCI на Mazda, който описахме в предишни части на тази поредица от материали все по-често ще бъдат срещани в бъдещите бензинови двигатели с вътрешно горене. Освен множество други процеси, за които също споменахме, конструкторите все още смятат променливата степен на сгъстяване за една от възможните насоки за намаляване на емисиите, макар че както нашият личен опит, така и тестовете на оборудваните с двигателите VC-Turbo на Infiniti автомобили далеч не показаха прокламираната комбинация от ефективност и динамика. Разгръщането на мощността определено е на изключително ниво, но дори и при икономично шофиране на Infiniti QX50, при което индикаторът за степента на сгъстяване показва максималните стойности, разходът по нищо не се отличава от този на средностатистически бензинов турбоагрегат. Далеч по-ефективен е малкият му брат с три цилиндъра използван от Nissan като част от серийна хибридна система – един от малкото турбо мотори включен в подобна пълнохибридна конфигурация.    

Все по-често срещано в модерните бензинови мотори ще бъде и изключването на цилиндри, което по подобие на работата с бедни смеси дава възможност за работа на двигателя с по-широко отворена дроселова клапа. Екстремен пример в случая е 1.5 EcoBoost на Ford с неговите три цилиндъра, който функционира в специфичен неравноделен такт при преминаване към работа на два цилиндъра. Тази машина е една от най-високотехнологичните с подобна трицилиндрова конфигурация, като изключим мотора, за който ще стане дума на следващите редове. Той използва два инжектора на цилиндър (един във всмукателните колектори и един директен). Важен фактор не само за изключване на част от цилиндрите е системата за променливо газоразпределение, която с новите технологии в областта на електрическите механизми може да придобие ново значение. Знаменосец на тази идея е Freevalve, дъщерна фирма на Koenigsegg.

Малкият дружелюбен гигант

Когато става дума за Koenigsegg, нещата винаги изглеждат, сякаш идват от друга планета. При представянето на Gemera през 2020 година компановката на новия модел включваше уникално съчетание от компоненти, което не можеше да бъде открито никъде другаде – дори и само като схемно решение, да не говорим за използваните свърхвисокотехнологични агрегати и материали. По-късно от компанията промениха въпросната компановка, която макар и с една идея по-конвенционална, си остана свръхестествено явление, като в уравнението се включи и 5,0-литровият V8 агрегат от Jesko, който инженерите успяха някак да напъхат в мястото предначено за трицилиндров мотор. Впоследствие последният отпадна от предлаганите възможности заради липсата на търсене, но заслужава особено внимание заради високотехнологичните решения, които предлага и които вероятно ще се внедряват в бъдеще в други агрегати. Във всички случаи той показва на какво е способен двигателят с вътрешно горене.

Koenigsegg Gemera Ver. 1.0

Gemera e четириместен GT модел с хибридно задвижване, която при първоначалната си компановка трябваше да има системна мощност от 1700 к.с., максимална скорост 400 км/ч и ускорение до 100 км/ч за 1,9 секунди. Въпреки че в днешния свят суперавтомобилите вече не са толкова голяма рядкост, Gemera все пак има доста ярки отличителни белези. А най-отчетливият сред тези белези бе двигателят на автомобила.

От Koenigsegg го наричат Tiny Friendly Giant (мъничкият дружелюбен гигант), или накратко TNG. И има защо – TFG има работен обем два литра, три цилиндъра (!), два турбокомпресора и мощност 600 к.с.. С 300 к.с. на литър този агрегат постига най-високата литрова мощност, предлагана някога от сериен мотор. От фирмата твърдяха, че в технологично отношение TFG „е на светлинни години пред всеки друг трицилиндров мотор на пазара днес“. Всъщност бяха абсолютно прави – следващият по мощност мотор с три цилиндъра е използваният от Toyota G16E GTS в GR Corolla с 300 к.с. и въртящ момент от 400 Нм.

Най-необичайната технология в TFG е неговата система за газоразпределение без разпределителен вал. Вместо това двигателят използва разработената от Freevalve, дъщерна компания на Koenigsegg, система с пневматични активиращи устройства за всеки клапан.

Всъщност „малкият дружелюбен гигант“ е конструиран специално за Gemera. От шведската компания са искали да създадат нещо компактно, леко, но с много голяма мощност. Освен това при проектирането на задвижването е променена цялостната философия и за разлика от хибридната Regera при Gemera основната част от мощността при първоначалната компановка се осигуряваше от електрическите мотори. Двигателят с вътрешно горене имаше допълнителен принос в задвижването и за зареждането на батериите.

Преди да вземат решението за създаване на трицилиндров мотор, в Koenigsegg доста умуват. Все пак подобно решение не би било прието еднозначно в един ексклузивен автомобил. Но пък търсенето на качества като компактност и лекота надделява и води до конструирането на най-екстремния двигател в света от гледна точка не само на литрова, но и на “цилиндрова“ мощност.

Конфигурацията на двигателя все пак е с доста големи цилиндри и той звучи доста наперено, с типичен за трицилиндровите мотори нискочестотен тембър, но много по-гърлено. За него Кристиан фон Кьонигсег, основателят на компанията, казва: „Представете си Harley, но с още един цилиндър“. Въпреки че има доста мащабните диаметър 95 мм и ход на буталото 93,5 мм, TFG обича високите обороти. Максималната му мощност се постига при 7500 об./мин, а червената зона на оборотомера започва от 8500 об./мин. Тук алхимията се състои в скъпите материали, позволяващи едновременно лекота (обороти) и здравина (високо налягане на горивния процес). Затова високите оборотни режими са съпроводени и от невероятен въртящ момент – 600 Нм.

Каскадно турбопълнене

Отговорът на въпроса как точно могат да бъдат свързани два турбокомпресора при трицилиндрова конфигурация е – каскадно. Подобна система през 80-те използваше култовият модел на Porsche 959, в която има подобие, защото две тройки цилиндри пълнеха малък и голям турбокомпресор. TFG обаче има нова интерпретация на темата. Всеки от цилиндрите има по два изпускателни клапана и от тях единият е отговорен за пълненето на малкия, а другият – за големия турбокомпресор. При ниски оборотни режими и натоварване се отварят само тези три клапана, които осигуряват газове за малкия турбокомпресор. При около 3000 об./мин започват да се отварят вторите клапани, насочвайки газовете към големия турбокомпресор. Двигателят обаче е толкова високотехнологичен, че на базата на параметрите си дори в „атмосферна“ версия би могъл да достигне мощност от 280 к.с. Причината се корени в същата тази клапанна технология на Freevalve.

Клапани с пневматично отваряне и двутактов режим

Благодарение на нея всеки клапан се движи по индивидуален начин. Той може да се отваря самостоятелно със специфична продължителност, начален момент и ход. При ниско натоварване се отваря само единият, а това осигурява по-високоскоростен поток на въздуха и по-добро смесване на горивото. Благодарение на възможността за прецизен контрол на всеки от клапаните отпада нуждата от дроселова клапа, а всеки от цилиндрите може да бъде изключван при нужда (в режими на частично натоварване). Гъвкавостта на работата позволява на TFG да преминава от конвенционален Ото към Милър режим на работа с увеличен работен цикъл и по-висока ефективност. И това не е най-впечатляващото – с помощта на „продухването“ от турбоагрегатите двигателят може да преминава в двутактов режим на работа до около 3000 об./мин. Според Кристиан фон Кьонигсег при 6000 об./мин в този режим той би звучал като шестцилиндров. При 3000 об./мин обаче агрегатът преминава обратно в четиритактов цикъл, защото при високи оборотни режими няма достатъчно време за газообмен.

Изкуствен интелект

От друга страна, Koenigsegg работи с американската компания за изкуствен интелект SparkCognition, разработваща софтуерно управление с изкуствен интелект за Freevalve двигателите на фирмата като TFG. С течението на времето системата научава най-добрия начин за опериране на клапаните и различни начини на осъществяване на горивния процес. Управлението и Freevalve системата позволява модифициране на силата и тембъра на звука на двигателя с различно отваряне на изпускателните клапани. Пак на нея се дължи и възможността за по-бързо загряване на двигателя и намаляване на емисиите. Благодарение на електрическия мотор-генератор при много ниска температура на двигателя коляновият вал се завърта за около 10 цикъла (за 2 секунди), с което температурата на сгъстения въздух в цилиндрите достига 30 градуса. В процеса на загряване всмукателният клапан се отваря с малък ход и се осъществява турбулентна циркулация на въздуха и горивото около изпускателния клапан, с което се подобрява изпаряването.

Важен принос за постигане на голямата мощност на двигателя има и горивото. На практика TFG е Flex Fuel мотор – тоест може да работи с бензин, но и с алкохол (етанол, бутанол, метанол) и смеси в различни пропорции. Молекулите на алкохолите съдържат кислород и благодарение на това осигуряват част от необходимия кислород за окисляването на въглерода и водорода. Разбира се, това означава по-висок разход на гориво, но то се подава по-лесно, отколкото големите количества въздух. Алкохолните смеси правят горивния процес по-чист и при горенето им се отделят по-малко твърди частици. Тъй като етанолът има устойчива на детонации структура, той позволява увеличаване на налягането на пълнене, по-голям ъгъл на изпреварване на запалването, респективно по-голяма мощност. Електрониката сама установява пропорцията на бензин и алкохол на базата на горивния процес и адаптира параметрите на работа. Освен това, ако етанолът е добит от растения, може да осигури и въглеродно неутрален процес. При работа с бензин мощността на двигателя е 500 к.с. Нека напомним – контролът на горивния процес при TFG е толкова високотехнологичен, че успява да извлече почти максимално възможното от горивото, без да се стига до детонации – най-невралгичната зона по отношение на горенето при толкова високо налягане на турбопълненето. Това е наистина уникално при степен на сгъстяване 9,5:1 и много високо налягане на пълнене.

Разбира се, сложната система Freevalve е по-скъпа от конвенционално механично задвижване на клапаните, но пък за изработката на двигателя се използват по-малко суровини, а това в известна степен компенсира себестойността – а също и теглото. Така като цяло себестойността на високотехнологичния TFG е два пъти по-ниска от тази на осемцилиндровия петлитров twin turbo агрегат на фирмата.

Уникалното задвижване на Gemera в първоначалната и актуалната версия   

Първоначалната версия на задвижването на Gemera също е уникална и необикновена. TFG е разположен зад отделението за пътниците и задвижва предния мост с помощта на уникалната direct drive система без трансмисия с предавки, но с допълнителен хидравличен преобразувател на въртящия момент на предния мост. Системата се нарича HydraCoup, а при определена скорост хидравличният преобразувател се блокира и се извършва директно задвижване. Това става благодарение на факта, че двигателят с вътрешно горене е и пряко свързан с електрически мотор-генератор, осигуряващ до 400 к.с. мощност, респективно до 500 Нм. HydraCoup преобразува общо 1100-те нютонметра на TFG и електромотора, удвоявайки въртящия момент до 3000 об./мин. Към всичко това се добавя въртящият момент на всеки от двата електромотора, задвижващи по едно задно колело с мощност от 500 к.с. всеки и съответно с по 1000 Нм. Така общата системна мощност е 1700 к.с. Всеки един от тях е от типа axial flux (електрически мотори с аксиален магнитен поток) на експерта в тази област Yasa, и работи с напрежение от 800 волта. Уникална е и батерията на автомобила. Тя осигурява напрежение от 800 волта и при едва 14 кВтч капацитет има разрядна (изходна) мощност от 900 кВт и зарядна мощност от 200 кВт. Всяко нейна клетка се контролира отделно по отношение на температура, заряд, „здравословно състояние“, а всичките са интегрирани в общ карбонов корпус, разположен на най-сигурното място – под предните седалки и в карбоново-арамидния тунел за задвижването.

Цялата необичайна компановка е базирана върху философията на фирмата да прави автомобили с междинно разположен в задната част двигател. От Koenigsegg все още не предлага чист електромобил, защото смята, че технологиите в тази област не са достатъчно развити и правят автомобилите много тежки. Засега за намаляване на емисиите на въглероден двуокис от фирмата разчитат на алкохолните горива и двигателя с вътрешно горене.

800-волтовата електрическа система на „първоначалната“ Gemera позволява изминаване на до 50 км само на електричество и постигане на скорост от 300 км/ч. За останалата част до 400 км/ч отговорност носи TFG. В хибриден режим автомобилът може да измине още 950 км, което говори за доста висока ефективност на системата. А за стабилността на автомобила се грижат още и системата за завиване на задните колела, електрическият torque vectoring на задните и механичният torque vectoring на предните (с помощта допълнителни „мокри“ съединители в предните механизми за задвижване). Така Gemera се превръща в автомобил със задвижване на четирите колела, завиване на четирите колела и torque vectoring на четирите колела. Към всичко това се добавя регулиране на височината на каросерията.

Въпреки че е уникален по своята същност, моторът TFG показва какви биха могли да бъдат насоките за развитието на двигателя с вътрешно горене. Същите дебати течаха и във Формула 1 – в терсене на ефективността те се насочиха към синтетични горива и (може би) двутактов принцип на работа в определени режими.

Един екстремен V8  

Само че…в края на краищата след много дни главоблъсканици конструкторите на Koenigsegg успяха да модифицират пространството за двигателя и да освободят място за осемцилиндровия мотор от Jesko – доста трудно начинание предвид факта, че Gemera е четириместна. След като компанията реши да предлага и осемцилиндрова версия на автомобила, желаещи за трицилиндровия агрегат останаха малцина и от Koenigsegg се принудиха да ги убеждават също да се насочат към версията с V8. Макар и да не използва същите свръхтехнологии като Tiny Little Giant, 5,0-литровият агрегат HV8 с два разположени от вътрешната страна (Hot V) турбокомпресора също е нещо извънземно. Сами по себе си параметрите на агрегата който произхожда от Jesko и е еволюция на мотора на Agera RS – 1280 к.с. при използване на бензин с октаново число от 95 и 1500 к.с. с етанол са потресаващи, с въртящ момент от 1500 Нм при 5100  Нм об./мин. По-важно е обаче че още при 2700 об./мин въртящият момент на двигателя достига 1000 Нм и след като се увеличи до пиковата си стойност запазва 1000 Нм до 6170 об./мин като достига максимални обороти от 8500. Всичко казано по отношение на етиловия алкохол за Tiny Little Giant е напълно валидно и за HV8. А за да осигури достатъчно гориво за всичко това двигателят използва по три инжектора на цилиндър. Още при Jesko двигателят бе модифициран от класическия за V8 моторите „кръстосан“ колянов вал (cross plane) към колянов вал в една равнина (flat plane). Докато първият вариант има запалване на всеки 90 градуса с големи противотежести за общ баланс на силите, вторият вариант на практика е формиран от два четирицилиндрови агрегата с общ колянов вал. Той има по-високо ниво на сили на вибрация от втори порядък, но не изисква тежкия колянов вал на cross plane варианта, позволява по-високи оборотни режими и често се използва и от моторите на Ferrari и AMG. Вибрациите от втори порядък в случая се поемат от активни опори на двигателя.

Естествено, голямата мощност се постига с огромни турбокомпресори със съответното забавяне на развъртането. За да компенсира това забавяне HV8 използва интересна система с електрически въздушен компресор и карбонов резервоар с обем от 20 литра, който поддържа налягане на въздуха в него от 20 бара. Въздухът се насочва към турбината при ускоряване и води до бързото и развъртане, замествайки по този начин ускоряването с електрически мотор. Системата е избрана след анализи на различни решения, включително каскадно пълнене каквото използва трицилиндровият агрегат поради факта че има относително ниско тегло и осигурява възможност за подаване на въздух към катализатора и окисляване на определени продукти на горенето. Все пак агрегатът е създаден преди Tiny Little Giant и не използва неговите хай-тек решения за пълнене – които може и да бъдат въведени на по-късен етап. Освен това, за разлика от Jesko, който не е хибрид, Gemera използва хибридна система, която компенсира турбо закъснението осигурявайки първоначалния “boost” на системата. По подобие на двигателя Skyactiv X на Mazda, който използва сложен горивен процес със инициирано от свещ самовъзпламеняване HV8 използва датчици за динамиката на развитието на налягането в цилиндъра и коригира параметрите на работа на двигателя.

Новата технология на с Light Speed Tourbillon Transmission

В края на краищата окончателната компановката на задвижването на серийния модел (доколкото такъв автомобил може да бъде квалифициран като такъв) бе значително променена от описаната по-горе. Новата компановка от модифицирания V8 двигател на Jesko с 1500 к.с. и „хибриден“ (с радиално-аксиален магнитен поток) електрическия мотор Dark Matter с 800 к.с. осигурява обща мощност от феноменалните 2300 к.с. Според Кристиян фон Кьонигсег автомобилът може да работи в електрически режим със задвижване на четирите колела, както и само на предните и само на задните с torque vectoring и на четирите колела. Двигателят с вътрешно горене може да задвижва директно само задния мост през трансмисията, предния мост или в комбинация с електрическия мотор и четирите колела. В патента на компанията от 2023 година са разгледани три варианта на компановка, включително с двигател разположен в предната част. При новата архитектура делът на електрическото задвижване се намалява, макар че все пак говорим за почти 600 kW. V-образният осемцилиндров двигател задвижва директно задните колeла през високотехнологичната и свърхлека трансмисия Light Speed Tourbillon Transmission, която е модификация на Light Speed Transmission (уникално по своя характер творение с девет предавки и многодискови устройства за превключване на всяка предавка, за която ще ви разкажем отделно) с два отдели „ръкава“ (откъдето по аналогия с механизмите на часовниците идва името Tourbillon) с многодискови съединители към всяко задно колело, които по този начин осигуряват torque vectoring на задния мост. От предната страна на коляновия вал на двигателя с помощта на вал въртящ момент се насочва към предния мост пред който съосно с вала е разположен мощният електрически мотор. В предния мост са интегрирани два набора от съединители осигуряващи възможност за предаване на различен въртящ момент към всяко от двете колела. Между двигателя с вътрешно горене и трансмисията има интегриран съединител, още един такъв е позициониран между вала от двигателя и електрическия мотор.

Двигателят се стартира с помощта на електрическия мотор. Ако предният съединител се отцепи, а задният се затвори двигателят HV8 ще задвижва задния мост през трансмисията. Затварянето на предния съединител дава възможност автомобилът да стане паралелен хибрид като включва в задвижването електрическия мотор (при условия че двата съединителя на предния мост са отворени). Отварянето на предния съединител и затваряне на съединителите на предния мост позволява задвижване от електрическия мотор на предните колела – заедно със задвижването на задния мост или самостоятелно. Съществува и вариант за зареждане на батерията от ДВГ. Вариантът за задвижване на всички колела с изцяло зацепени съединители принципно е възможен, но това означава че при движение в завои трябва да се осигури възможност за пробоксуването им.

Интересно е да се отбележи че електрическият мотор има същия оптимален оборотен режим до 8500 об./мин – съвсем логично предвид факта че е свързан директно с двигателя с вътрешно горене. Така или иначе при определена скорост електрическият мотор се отцепва от предния мост.

Така системата може да реализира чисто електрическо задвижване поотделно на предния, задния или двата моста, както и предно и задно предаване с ДВГ, с асистенция от електромотора. Последният наречен Dark Matter също един от най-високотехнологичните агрегати в тази вселена, еволюция е на предишния мотор Quark, шестфазен е, тежи само 39 кг и има мощност от, както казахме от около 600 kW.   

 

Малко математика

Сега, ако се върнем към началото на този материал и се поровим малко в числата можем да изчислим за колко време могат да достигнат енергийните запаси на автомобила при използване на максималната мощност. Резервоарът на автомобила е 115 л, а енергийното съдържание на бензина на база обем (литър) е 33,6 мегаджаула или 9,3 kWh, тоест общо 1070 kWh за целия резервоар. При коефициент на полезно действие от около 25 процента на двигателя с вътрешно горене, енергията която той може да поеме от резервоара е 267 kWh (0,25 х 1070). Максималната мощност на двигателя в kW при работа на бензин е 941. Така, ако разделим 267 на 943 и ще получим 0,283 часа или приблизително 17 минути за които Gemera ще изпразни своя резервоар. Нещата с батерията стоят по още по-драматичен начин – 14 kWh разделени на 600 kW каквато е мощността на електрическия мотор ни дава 0,023 часа или 84 секунди. Това е само на теория – защото основният въпрос е колко време батерия с подобен капацитет може да осигурява изходна мощност от 600 kW. В реални условия на движение никой няма да използва подобни показатели – тогава автомобилът ускорява, спира, намалява скоростта и т.н. Тоест след интервали на ускорение Gemera ще има време да зарежда отново батерията, частично с помощта на двигателя с вътрешно горене, частично с регенерация, за да поеме отново към поредното брутално ускорение. Това е магията на техниката…

(следва)                             

• Tweet
• Pin it
• Share