Степень свободы Окончание. Начало в #3–5 /2014
Завершая ретроспективный обзор проектов двигателей с переменной степшыо сжатия, рассмотрим еще несколько интересных решений.
Проект МСЕ-5
Проект, о котором пойдет речь, выполняет исследовательская компания МСЕ-5 Development, специально созданная для этого небольшой группой французских ученых в начале 2000 года. Цель компании – разработать готовый для массового производства в автоиндустрии блок VCR-двигателя и предложить «кармейкерам» результат работы на лицензионной основе. Надо сказать, что проект МСЕ-5 отличается от прочих, по крайней мере, двумя моментами. Во-первых, детали концепции и планы по реализации проекта не скрываются от публики, а напротив, подробно освещаются на сайте компании. Во-вторых, VCR-механизм, разработанный МСЕ-5 и защищенный патентами, полностью оригинален с точки зрения и принципа, и конструкции. Поэтому до 2025 года никто не сможет повторить ничего подобного без приобретения патентных прав.
В попытках описать конструкцию механизма МСЕ-5 язык буквально немеет. Надеемся, что его устройство и принцип действия понятны из приведенных иллюстраций. Механизм представляет собой комбинацию КШМ и зубчатой передачи типа «шестерня-рейка». Степень сжатия в каждом цилиндре регулирует гидравлический домкрат, который перемещает вверх-вниз управляющую рейку, находящуюся в зацеплении с зубчатым «колесом». Поворачиваясь относительно верхней головки шатуна, колесо приподнимает или опускает поршень, изменяя его положение в ВМТ.
По мнению разработчиков, конструкция имеет следующие преимущества:
• широкий диапазон и высокую точность регулировки степени сжатия;
• возможность регулировки – раздельно в каждом цилиндре;
• как минимум сохранение прочности КШМ за счет примерно двукратного уменьшения радиуса кривошипа;
• меньшее трение в ЦПГ и повышение ее ресурса вследствие отсутствия бокового давления на поршень (рейка поршня опирается на синхронизирующий ролик, чем компенсируются возникающие в зацеплении радиальные силы);
• кинематика движения поршня идентична традиционному ДВС;
• совместимость блока с ГВЦ любой конструкции.
Тем не менее червь сомнения нашептывает свои вопросы. Будет ли двигатель с блоком МСЕ-5 достаточно быстроходным? Уж больно много массивных деталей связывают поршень с «коленом». Как их инерция повлияет на уравновешенность двигателя? Не перечеркнутся ли преимущества VCR-мотора немалым приростом его массы и габаритов? Можно ли назвать детали механизма традиционными для двигателестроения? Предвидя эти сомнения, сами разработчики дают на них оптимистические ответы. Правда, они основываются в основном на теоретических расчетах и предположениях.
Согласно опубликованным планам к марту 2005 года должен был быть создан и испытан прототип двигателя. Эксперименты должны были подтвердить справедливость предварительных оценок и внушить оптимизм сомневающимся. А к середине 2007 года планировалось оснастить автомобиль полнофункциональным мотором (1,5 л; R4; 217 л.с.; 300 Н*м; диапазон регулировки – от 6,7 до 18) и ответить на оставшиеся каверзные вопросы. К сожалению, никаких сведений о том, что эти планы реализовались, обнаружить не удалось. Возможно, червь сомнения «загрыз» не только нас, но и многочисленных инвесторов и акционеров компании.
Проект DiesOtto
Об этом проекте Mercedes-Benz не писал только ленивый. Отметимся и мы, дабы избежать обвинений в лености. Официальный анонс этой разработки был опубликован в июле 2007 года. В нем говорилось о том, что в лабораториях Daimler Engine Research удалось вывести гибрид, объединивший в себе преимущества бензинового и дизельного двигателей. Результатом гибридизации стал компактный 4-цилиндровый мотор объемом 1,8 л, с номинальной мощностью 238 л.с. и максимальным крутящим моментом 400 Н-м. Исследовательский автомобиль F700 S-класса с таким силовым агрегатом ускоряется до 100 км/ч за 7,5 с и потребляет менее 6 л бензина на 100 км. Уровень эмиссии токсичных компонентов при использовании стандартного 3-компонентного каталитического нейтрализатора укладывается в нормы Euro VI. Среди ключевых технологий, позволивших достичь великолепной производительности, экономичности и экологичности концепта, указываются:
• «даунсайзинг», уменьшение количества цилиндров и рабочего объема;
• турбонаддув (двухступенчатая система в составе турбокомпрессоров низкого и высокого давления);
• непосредственный впрыск бензина;
• управляемый ГРМ;
• регулируемая степень сжатия;
• гибридный модуль стартера/генератора.
Как видите, в концепте реализованы практически все перспективные направления совершенствования ДВС, включая применение VCR-системы. Поскольку двигатель работает на обычном бензине, о нем говорят как о бензиновом моторе, который унаследовал некоторые черты дизеля. В наследство от дизельного процесса концепт получил способность при частичных нагрузках работать в режиме самовоспламенения топливовоздушной смеси. При пуске и полной мощности смесь воспламеняется искрой свечи зажигания. Управляемое воспламенение от сжатия в DiesOtto организовано иным образом, нежели в обычных дизельных двигателях. Процесс характеризуется сложной циклограммой впрыскивания с образованием бедной гомогенной смеси. Этим достигается экономия топлива. Рост температуры в камере сгорания и связанная с ним эмиссия окислов азота ограничиваются тем, что в фазе выпуска из цилиндра удаляется только половина отработавших газов. Оставшиеся газы участвуют в формировании нового топливного заряда. Что касается системы управления степенью сжатия, по неофициальным данным, в ее составе применяется траверсный механизм. Не исключено, что при создании DiesOtto были использованы плоды совместного проекта с НАМИ.
Эпилог
Надеемся, что столь пространное повествование прояснило возможные причины временного забвения наиболее известного проекта по созданию двигателя с изменяемым неизменным. Действительно, между прототипом – каким бы привлекательным он ни казался на первый взгляд – и изделием массового производства «дистанция огромного размера». Это подтверждается непростой судьбой многих концепт-каров. Успех в ее преодолении зависит от благоприятного сочетания множества факторов, прежде всего от потенциальной способности концепта соответствовать комплексу жестких требований. Напомним, какие из них предъявляются к VCR-системе.
• Функциональные требования. Механизм должен обеспечивать плавное изменение степени сжатия в диапазоне не менее 7-14 за время, не превышающее 0,5 с. Регулирование должно осуществляться с наименьшими затратами энергии. Предпочтительна возможность одновременного управления степенью сжатия и рабочим объемом, причем по оптимальному алгоритму.
• Конструктивные и технологические требования. Функциональные характеристики должны достигаться минимальными изменениями конструкции стандартного мотора и с использованием традиционных для двигателестроения технологий. В идеале на начальном этапе VCR-система должна стать своего рода опцией к базовому двигателю. Ее наличие не должно создавать проблем при компоновке моторного отсека и стыковке двигателя с трансмиссией.
• Эксплуатационные требования. Будучи неотъемлемой частью двигателя, VCR-система не должна негативно влиять на характеристики базового мотора – безотказность, ресурс, ремонтопригодность – и серьезно ухудшать его уравновешенность и акустические параметры.
• Экономические требования. Плата за улучшение потребительских и экологических свойств двигателя, обеспечивающая экономическую целесообразность его производства, не должна быть чрезмерно высокой.
Кстати, авторы приведенных проектов оценивают себестоимость переоборудования двигателя в VCR-версию в сумму от 200 до 500 евро. Значит, цена VCR-двигателя будет занимать промежуточное положение между бензиновым и дизельным моторами равного объема.
Сейчас вряд ли кто-либо возьмет на себя смелость утверждать, какой из проектов в наибольшей степени соответствует указанным требованиям. Ответ на этот вопрос прояснит экспериментальная отработка разных концептов, которая активно ведется в настоящее время. Уверенности в том, что оптимальный вариант (или варианты) будут найдены, придает тот факт, что в «выборах» принимает участие множество таких разных кандидатов. Несомненно то, что выбор будет сделан обязательно – в деле создания экономичных, экологически чистых и мощных моторов технологии изменения неизменного альтернативы нет. Управление параметрами механической части двигателя – одно из недостающих звеньев концепции абсолютно гибкого, адаптивного мотора будущего. В нем все рабочие процессы (дозирование воздуха и топлива, смесеобразование, зажигание, газообмен и т.д.) будут регулироваться в широких пределах, адаптируясь к режиму работы двигателя. Не сегодня-завтра недостающее звено будет найдено.
Уникальную информацию по устройству, эксплуатации и ремонту систем турбонаддува смотрите на сайте turbomaster.ru
Редакция благодарит доктора технических наук Георга Тер-Мкртичьяна за помощь в подготовке материала.
