Источник:
Типы двигателей внутреннего сгорания. История, перспективы и новейшие разработки
Первый бензиновый двигатель был построен 140 лет назад, с тех пор базовый принцип работы этих установок не изменился.
Основной принцип заключается в том, что топливо подается в камеру сгорания с определенным количеством воздуха, и эта готовая смесь поджигается искрой. Данные подходы с тех пор не изменились, хотя значительно сократились выбросы бензинового двигателя за последнее столетие.
1. Эволюция двигателей внутреннего сгорания
Первые бензиновые двигатели работали с карбюраторами, это решение до сих пор используется в классических моделях автомобилей.
Однако карбюраторы были не самым эффективным способом приготовления горючей смеси (топлива и воздуха), поэтому инженеры продолжили развивать системы зажигания, чтобы повышать эффективность работы двигателя. В прошлом веке война за лошадиные силы не означала автоматического поиска решения проблемы выбросов, поэтому повышение коэффициента полезного действия (КПД) двигателя было единственным, что имело значение.
В свете сегодняшних актуальных тенденций сокращения объемов выбросов от бензиновых двигателей, мы считаем четырехтактный бензиновый двигатель своего рода нормой или эталоном экологичности двигателя. Связано это в первую очередь с тем, что данную установку не нужно было заправлять смесью топлива с добавлением масла, чтобы обеспечить внутреннюю смазку цилиндров, благодаря чему эти двигатели не генерировали большое количество синего дыма. На наш взгляд, это техническое решение было первым шагом в улучшении бензиновых двигателей.
1.1. Система механического впрыска топлива (МВТ)
Следующим большим шагом в этом направлении стала система механического впрыска топлива. Она была разработана во время Второй мировой войны для истребителей, но в конечном итоге нашла свое применение в серийных транспортных средствах. Как казалось ранее, данная разработка должна была получить наибольшее распространение среди дорогих автомобилей, но, в конечном счете, она стала широко использоваться в авто среднего класса.
В отличие от карбюраторов, МВТ качественно обеспечивал нужное количество топлива и воздуха для каждого цикла сгорания. Позже эта система совершенствовалась на протяжении многих лет и достигла определенного этапа совершенства в конце 1980-х годов. Между тем, некоторые экономичные автомобили все еще использовали карбюраторы, а механический впрыск топлива продолжал считаться дорогой технологией. К сожалению, как и карбюраторы, МВТ имел свои недостатки, требовал периодической настройки. Но теоретически он мог работать более эффективно, чем карбюраторный двигатель.
1.2. Система рециркуляция выхлопных газов
Система рециркуляция выхлопных газов была одной из первых систем, которые сократили выбросы бензиновых двигателей, а также повысили их общую эффективность. Суть системы заключалась в направлении выхлопных газов обратно в камеру сгорания, обеспечивая снижение температуры в ней. При использовании такой системы рециркуляции отработавших газов двигатели быстрее нагреваются до рабочей температуры, а несовершенство карбюраторной системы оказывает меньшее влияние на итоговый КПД двигателя. В свою очередь пониженная температура в камере сгорания устранила проблему слишком раннего зажигания и детонации топлива, благодаря чему двигатель работал более плавно.
Тем не менее, первые системы рециркуляции отработавших газов были слишком «сырыми» и влияли на эффективную работу двигателя. В конце концов, автопроизводители начали контролировать системы рециркуляция выхлопных газов, чтобы обеспечить улучшенный запуск и работу на холостом ходу, а также повышенную производительность при высоких нагрузках с помощью отключения системы. Большинство современных автомобилей все еще используют систему рециркуляции отработавших газов, в то время как некоторые двигатели обходятся без нее благодаря иным инженерным решениям.
1.3. Электронные системы зажигания
Одним из важнейших шагов в мире бензиновых двигателей было внедрение электронных систем зажигания. В них использовались специальные датчики, чтобы заменить вакуумные и центробежные механизмы управления зажиганием (трамблеры). Это обеспечивало наличие искры, необходимой для зажигания топливно-воздушной смеси в нужный момент.
Первоначально они были установлены на карбюраторные двигатели для повышения их эффективности, и, в конечном счете, они стали нормой для бензиновых двигателей. Наряду с регулировкой карбюратора, установка момента зажигания была настоящим кошмаром для автовладельцев, когда они не имели под рукой подходящих инструментов и достаточного опыта регулировки. Все это приводило к повышенному расходу топлива в течение всего срока использования автомобиля.
1.4. Обедненная топливная смесь
Идея двигателя с использованием обедненной топливной смеси состояла в том, чтобы повысить эффективность сгорания смеси, не используя соотношение количества топлива и воздуха, характерных для традиционного цикла Отто. Решение было в использовании обедненной топливной смеси в соотношении долей воздух/топливо, в несколько раз превышающего стехиометрическое 14,64:1 (смесь окислителя и горючего, в которой окислителя ровно столько, сколько необходимо для полного окисления горючего).
Это решение стало распространенным в конце 1970-х годов и использовалось для некоторых моделей «Chrysler», «Honda», «Nissan», «Mitsubishi» и «Toyota». Идея этого типа двигателя заключалась в том, что он уменьшал так называемые дроссельные потери (возникающие из-за конструкции дроссельной заслонки) и повышал экономию топлива.
Этот тип двигателя не получил широкое распространение, так как требовал сложной системы каталитических нейтрализаторов. Данная концепция потеряла актуальность с 1990-х годов.
1.5. Электронный впрыск топлива (ЭВТ)
Следующим значительным достижением в снижении выбросов бензиновых двигателей (позднее и дизельных двигателей) стало внедрение электронного впрыска топлива. Это был еще более точный механизм работы, чем механические решения и обеспечил еще более качественный контроль количества топлива в камере сгорания.
Первоначальные разработки представляли собой одноточечные системы впрыска, но технология ЭВТ быстро развилась в многоточечные варианты. Позднее его заменили прямым впрыском из соображений эффективности.
В отличие от механических систем впрыска топлива, системы ЭВТ имели еще больше датчиков и позволяли достичь еще более высокой точности. Им также требовались специальные компьютеры для работы, которые управляли электронной системой зажигания. Вместе эти системы могли обеспечить двигатель стехиометрической смесью воздуха и топлива на любой скорости и в любом режиме работы.
Эти новые двигатели с впрыском топлива стали оснащаться лямбда-датчиками (датчик остаточного кислорода в выпускном коллекторе двигателя). Это кислородные датчики, размещаясь на выхлопной трубе, используются для оценки эффективности цикла горения в двигателе, уменьшают загрязнение катализаторов.
Современные автомобили имеют два или более кислородных датчика, и они размещаются непосредственно на потоке выхлопных газов (обычно до и после каталитического нейтрализатора). Время зажигания и впрыска постоянно регулируются в соответствии с параметрами, установленными на заводе, гарантируя, что бензиновый двигатель работает полностью в соответствии с нормами выбросов. Результат достигается благодаря лямбда-зондам вместе с работой ЭВТ.
Выше мы упомянули каталитический нейтрализатор. Это устройство, которое работает с электронным впрыском топлива, чтобы обеспечить более низкий уровень выбросов для двигателя, который оно оснащает. Нейтрализатор работает за счет реакции окисления внутри катализатора с помощью содержащихся в нем редких металлов.
Эти системы работали в слаженном тандеме более двух десятилетий, обеспечивая мир двигателями, которые не будут отравлять горожан на улицах при простаивании автомобилей в пробках. Тем не менее, слабым местом этой системы было то, что даже небольшая неисправность любого из элементов приводила к отказу других компонентов. Именно поэтому важно следить за индикатором на приборной панели «Check engine» и обслуживать автомобиль с интервалами, указанными в руководстве по техническому обслуживанию.
1.6. Прямой впрыск топлива
Хотя это не недавнее изобретение, бензиновые двигатели с прямым впрыском в последние несколько лет получают все большее распространение. Главное отличие от других систем в том, что они доставляют топливо с более высоким давлением и непосредственно в камеру сгорания. Классический впрыск топлива доставлял горючее при давлении примерно равном тому, которое используется в шинах легкового автомобиля.
Бензиновые двигатели с прямым впрыском становились все более похожими на дизельные агрегаты, доставляя топливо в камеру сгорания. Новые инженерные решения позволили реализовать распыление в камере сгорания даже небольшого количества горючего, притом таким образом, который обеспечивал оптимальное воспламенение.
2. Другие циклы сгорания
Цикл сгорания Отто — не единственный способ работы бензинового двигателя. Еще в 1882 году Джеймс Аткинсон разработал цикл сгорания, который носит его фамилию. Он не был так популярен, как цикл Отто, из-за пониженного уровня мощности, которую он обеспечивал по сравнению с циклом внутреннего сгорания Отто. Однако современные гибридные установки стали использовать цикл Аткинсона благодаря его улучшенной общей эффективности.
Некоторые двигатели использовали специальные механические нагнетатели для компенсации пониженной мощности цикла Аткинсона, они использовали цикл Миллера. В отличие от двигателей Отто, двигатели данного типа не были широко распространены.
Некоторые автопроизводители разработали двигатели с искровым зажиганием, которые работают в цикле Аткинсона при низких оборотах, а затем переключаются на цикл Отто для обеспечения высокой отдачи. Например, «Mazda» делает это с помощью своих 2,0-литровых агрегатов «Skyactiv-G», и «Toyota» использует аналогичную концепцию на двигателе «Lexus NX200t».
3. Что ждет в будущем двигатели с искровым зажиганием?
Мы ожидаем, что будущие бензиновые двигатели будут иметь улучшенные свечи зажигания, широкое распространение получит лазерное воспламенение. Такую схему в настоящее время разрабатывает «Mazda» для своих роторных двигателей. Кроме того, будущее за отказом от использования дроссельной заслонки («BMW» уже делает это на своих двигателях «Valvetronic»). Сам цикл сгорания может быть дополнительно улучшен за счет полной синхронизации всех стадий процесса.
В настоящее время регулирование фаз газораспределения является обычным делом в автомобильной промышленности наряду с прямым впрыском. Но «Koenigsegg» уже разработал бесступенчатый двигатель для повышения мощности и КПД. Тем не менее, компания пока не использует этот прототип ни в одном из своих автомобилей.