ВАЛЬС В МОТОРЕ?
Компания Ricardo, всемирно известный разработчик в области теплового двигателестроения, объявила о завершении исследовательской программы по разработке концепции 2/4SIGHT. В ходе ее выполнения в концептуальном бензиновом двигателе по-новому организовали процессы сгорания, наддува и общего управления. Кроме того, мотор снабдили новым приводом клапанов. Так удалось добиться автоматического переключения с двух- на четырехтактный режим работы и обратно. Эта особенность мотора сулит существенное улучшение характеристик, а равно меньший расход топлива благодаря снижению массы агрегата.
Работу над концептуальным двигателем Ricardo вела вовсе не в одиночку. Она лишь направляла и координировала исследования партнеров. Эта британская компания отвечала за проект прототипа двигателя в целом, а значит, именно ей предстояло превратить разработки партнеров в работоспособный агрегат. А партнеров было немало.
Компания DENSO обеспечила IGHT топливным оборудованием. Ma 2T4 вложила в общее дело знания и опыт в области управления клапанами газораспределительной системы. Университет в Брунеле (Brunel University) провел научно-исследовательские работы на одноцилиндровой испытательной установке, изучая процесс сгорания и проблемы охлаждения.
Концептуальный 2/4SIGHT имеет непосредственный впрыск топлива, а также специальную конфигурацию впускных и выпускных каналов. Каждый клапан каждого цилиндра имеет индивидуальное управление. Все это позволяет переходить с двухтактного режима на четырехтактный без скачкообразного изменения крутящего момента двигателя.
Исследования проводились на шестицилиндровом V-образном моторе с рабочим объемом 2,1 л. Полученные на стенде характеристики соответствовали двигателю объемом 3–4 л. Работой клапанов управляла электронно-гидравлическая система EHV (Electro-Hydraulic Valve). Питание воздухом основано на двухступенчатом наддуве с промежуточным охладителем. Его обеспечивали механический нагнетатель Rotrex и турбонагнетатель Honeywell. При работе на стенде наддув обеспечивали подводом сжатого воздуха. Система управления двигателем – DENSO rapid prototyping system (система быстрого прототипирования), работающая с компонентами непосредственного впрыска и зажигания DENSO.
Двигатель был построен в Шорхэмском техническом центре Ricardo (Ricardo Shoreham Technical Centre) и установлен для экспериментов в «Лаборатории сэра Гарри Рикардо» (Sir Harry Ricardo Laboratories) университета в Брайтоне (University of Brighton). На испытаниях экспериментальный двигатель выдал в двухтактном режиме крутящий момент 150 Нм/л при частоте вращения коленчатого вала 1000 об/мин. При увеличении скорости до 2500 об/мин крутящий момент возрос до 230 Нм/л. Такой большой крутящий момент позволяет значительно уменьшить рабочий объем двигателя и соответственно, его массу.
Согласно программе испытания специалисты Ricardo выполнили для двигателя 2/4SIGHT ездовой цикл, симуляцию ускорения, движение с полной нагрузкой, провели замеры потребления топлива. Исследование проводилось с помощью программного пакета MSC «EASY5(tm)», который допускает моделирование двигателей, трансмиссий, передач, шин и аэродинамики. При симуляции задавался обычно продаваемый в Европе пассажирский автомобиль массой 1800 кг с бензиновым двигателем V-6 объемом 3,5 л и 5-ступенчатой автоматической коробкой передач. Для проверки модели и исходных данных базовые результаты потребления топлива автомобиля сопоставили с опубликованными данными. Погрешность не превышала 1%.
Результаты моделирования показали, что динамические свойства автомобиля, включая ускорение с места, при установке двигателя V6 2/4SIGHT рабочим объемом 2,0 л аналогичны тем, которые дает бензиновый мотор объемом 3,5 л. Это позволяет сократить расход топлива на 27% по новому европейскому ездовому циклу – NEDC (New European Drive Cycle) и снизить эмиссию СО2 с 260 до 190 г/км.
Параллельно с разработкой прототипа двигателя в Великобритании инженеры Ricardo в лабораториях технологического университета Детройта (Detroit Technology Campus) разработали и запатентовали переключающую систему с механическим кулачком. Благодаря ей появилась возможность управлять системой EHV, используемой на тестах двигателя 2/4SIGHT. Это открывает путь для установки и интеграции двигателя 2/4SIGHT в серийные автомобили, а также предоставляет высокорентабельное средство для реализации разработанной эффективной концепции сгорания топлива. Также двигатели будущего, работающие по принципам 2/4SIGHT, будут иметь более низкую стоимость, чем аналогичные по характеристикам бензиновые двигатели или дизеля, соответствуя при этом стандартам бензинового двигателя на выбросы вредных веществ.
Проект частично профинансировало правительство Великобритани через Комиссию по стратегическим технологиям (Technology Strategy Board). Миссия комиссии заключается в продвижении и поддержке исследований в области разработки и применения инновационных технологий для пользы бизнеса, увеличения экономического роста страны и улучшения качества жизни граждан.
Ricardo имеет технические центры в Великобритании, США, Германии, Чешской Республике, Китае, Японии и Корее.
Как видите, вальса в моторе все же не получается. Не может он работать на «раз-два-три, раз-два-три, раз-два-три»! А вот перепрыгивать с двух на четыре и обратно – это, как выясняется, запросто. Ну, если, конечно, дело дойдет до продаж…
Справка
Всякий поршневой ДВС работает в действительности на 4 такта: «Впуск – Сжатие – Расширение после сгорания – Выпуск». Просто в двухтактном двигателе часть процессов проходит параллельно, поэтому «Расширение» приходится на каждый оборот коленвала. Соответственно двухтактный цикл намного сложнее четырехтактного. Он и появился заметно позже. С этого момента противостояние между двух- и четырехтактными не прекращалось никогда.
Фундаментальное автомобильное издание, вышедшее в начале тридцатых годов, отмечает, что на тот момент двухтактные двигатели имели большую (примерно на 40%) мощность, но сильно проигрывали по экономичности, виною чему были потери рабочей смеси при продувке цилиндра, то есть наличие карбюратора. Там же в качестве решения указывался непосредственный впрыск топлива. При этом двухтактник получался заметно более экономичным, невзирая на худшую тепловую эффективность, поскольку, во-первых, не имел потерь на привод ГРМ, а во вторых, остальные механические потери делились на удвоенное число рабочих ходов. Вместе с тем, будучи принципиально более сложными, такие моторы отличались и отличаются конструктивной простотой – классический двухтактник имеет более чем в три раза (400 против примерно 1400) меньше наименований деталей!
Соответственно двухтактные двигатели удержались в микролитражной области (где принципиальна дешевизна, а не расход топлива) и в секторе больших дизелей. В конце прошлого века двухтактники безраздельно властвовали в MotoGP, пока «формула» этих мотогонок не ввела «технический гандикап» для мотоциклов с четырехтактными двигателями. Это можно назвать исключением. Фактически сфера использования двухтактных моторов в последней четверти прошлого века исчерпывалась (за редчайшими исключениями!) рабочим объемом в 400 см3. Далее следовало «четырехтактное царство» вплоть до… Вплоть до грузовых размеров. Здесь становится интереснее. Ибо американская DD (то бишь «Детройт-Дизель») имя себе «сделала» как раз двухтактными моторами. Если говорить о более близких вещах, то ЯАЗ-200 и -210, а следом и МАЗ-200, -203, -204, и КрАЗ-214, -218 и т.д., имели 4- и 6-цилиндровые двухтактные дизеля ЯАЗ соответственно -204 и -206. Старые машинисты по сей день вспоминают коломенские тепловозные дизеля (между прочим, не только двухтактные, но и двухвальные, «колено» там не только снизу, но и сверху имелось, но это уж совсем другая история…) с тоской: и почто с производства сняли? Ну а уж там, где диаметр цилиндра начинает приближаться к метру, а мотор, делающий 200 оборотов, числится в «быстроходных», там вовсе «двухтактное царство». Кстати, по их меркам, 120 г топлива на киловатт-час – нормальное явление! Это притом, что оный киловатт-час содержится примерно в 82 граммах «соляры»… Так что идея насчет работы на 2/4 такта в принципе богатая. Другое дело, что дойдет до производства.
