Степень свободы. Продолжение
Продолжение. Начало в № 3/2014
Как было обещано, в этой части мы подробнее расскажем о наиболее интересных и перспективных проектах по созданию ДВС с переменной степенью сжатия. Порядок, в котором представлены проекты, выбран исходя из удобства изложения и не отражает степени их значимости.
SVC (SAAB Variable Compression)
Двигатель с регулируемой степенью сжатия, который был представлен публике в Женеве в 2000 году, – прототип третьего поколения. Работы над проектом SVC начались значительно раньше, в конце 1980-х. Первым экспериментальным прототипом был 2-литровый мотор. Испытания первенца подтвердили обоснованность теоретических предпосылок. В то же время его выходные характеристики (номинальная мощность и крутящий момент) оказались излишне высокими. Прототип второго поколения был создан к середине 1990-х годов на базе рядного 6-цилиндрового мотора объемом 1,4 л. Оказалось, что SVC-двигатель такой размерности несколько не дотягивает до уровня характеристик, желательных для перспективных моделей автомобилей SAAB. К тому же шесть цилиндров в ряд доставляли немало трудностей при компоновке моторного отсека. В итоге рабочий объем прототипа третьего поколения увеличили на 200 мл, а число цилиндров сократили до пяти.
Впечатляющие удельные характеристики SVC-двигателя (удельный крутящий момент 208 НЪм/л и литровая мощность 140 л.с./л) были достигнуты, в первую очередь, благодаря применению наддува высокого давления. Причем инженеры SAAB, традиционно отдающие предпочтение турбонаддуву, были вынуждены использовать для этих целей механический нагнетатель. На тот период времени не нашлось подходящего турбокомпрессора, способного создавать избыточное давление наддува до 2,8 бар при достаточно быстром отклике. Для сравнения: турбокомпрессоры нового Porsche 911 turbo «надувают» мотор до давления всего 1,94 бар. Избежать детонации на нагрузочных режимах позволило снижение степени сжатия до 8 и эффективное охлаждение нагнетаемого воздуха в водоохлаждаемом интеркулере. VCR-механизм играл ключевую роль и в достижении топливной экономичности, устанавливая для каждого режима работы двигателя оптимальную степень сжатия в диапазоне от 8 до 14. При частичных нагрузках нагнетатель отключался, что вносило дополнительный вклад в экономию топлива.
SVC-двигатель состоит из двух частей. Верхняя часть включает ГБЦ, объединенную с блоком цилиндров в единый узел, получивший название «моноголовка». Нижняя состоит из картера, коленчатого вала и поршней. Моноголовка может смещаться относительно нижней половины двигателя, поворачиваясь вокруг горизонтально расположенной оси, закрепленной внутри картера, примерно так, как открывается крышка сундука. Поворот моноголовки приводит к отклонению ее вертикальной оси симметрии, изменению величины остова двигателя и, как следствие, объема камеры сжатия. Ось вращения расположена таким образом, что для регулирования степени сжатия от 8 до 14 достаточно изменять наклон головки в пределах 4°. Эту функцию выполняет еще один кривошипно-шатунный механизм с гидроприводом. Его работу контролирует специальная версия системы управления SAAB Trionic, которая рассчитывает дополнительный параметр – оптимальную величину £ – на основании данных о частоте вращения, нагрузке и свойствах используемого топлива. Обособленная от двигателя моноголовка имеет собственные системы смазки и охлаждения. Место ее соединения с картером герметизируется резиновым гофрированным чехлом.
В зависимости от степени присущего им оптимизма автоспециалисты оценивают предложенную инженерами SAAB конструкцию по-разному. Оптимисты отмечают, что основные детали SVC-прототипа заимствованы у базового двигателя без изменений. Так, неизменными остались КШМ, поршневая группа, архитектура камеры сгорания и ГРМ с четырьмя клапанами на цилиндр. Детали самого VCR-механизма характерны для ДВС. Это очень важно, поскольку двигатели с переменной степенью сжатия будут производить бок о бок с традиционными моторами на тех же сборочных заводах. Поэтому одно из принципиальных требований заключается в использовании привычных для современного двигателестроения конструкций и технологий. Экзотика, требующая серьезной перестройки сложившейся громадной отрасли, недопустима.
Скептики приводят свои неутешительные доводы. Подвергается сомнению долговечность «располовиненного» высокофорсированного двигателя, в котором колоссальные нагрузки от газовых и инерционных сил воспринимаются двумя осями с подвижными соединениями. Эти же силы напрямую противодействуют VCR-механизму, отклоняющему головку. Механизм также вынужден преодолевать инерцию массивной моноголовки вместе с закрепленными на ней нагнетателем, интеркулером и коллекторами. Все это чревато большими потерями энергии и быстродействия. На фоне столь серьезных замечаний такие контраргументы, как необходимость подвижного сочленения моноголовки с впускной и выпускной системами, а также привода ГРМ с компенсацией изменения расстояния между распределительным и коленчатым валами, кажутся мелочами.
Что ж, сомнения пессимистов назвать беспочвенными. Впрочем, и мисты, и оптимисты сходятся в том, что на пути от прототипа до серийного изделия необходимо выполнить немалое количество исследовательской работы. Она должна подтвердить возможность достижения приемлемых для массового производства характеристик двигателя: ресурса, безотказности, ремонтопригодности, массогабаритных показателей, себестоимости и т.д. Исследования, как известно, стоят немалых денег, а их результаты могут оказаться негативными – пессимисты не всегда ошибаются. Тот факт, что трансформация SVC-прототипа в серийный двигатель затянулась, может означать, что специалисты GM посчитали дальнейшее продолжение проекта рискованным. Тем более что решение, предложенное инженерами SAAB, как мы уже убедились, не единственно возможное и не бесспорное.
Вне зависимости от дальнейшей судьбы SVC-проекта нужно отдать должное его автору, известному двигателисту Перу Гилбрандту, отцу «саабовских» турбомоторов, и коллективу шведских конструкторов. Они своевременно достали с полки старую идею, создали работоспособный прототип оригинальной конструкции, разработали алгоритм управления и на практике подтвердили колоссальный потенциал VCR-двигателей. Несомненно и то, что демонстрация SVC-прототипа стимулировала конкурентов активизировать деятельность в этом направлении.
Проект FEV VCR
Авторство проекта принадлежит немецкой компании FEV Motorentechnik. Это авторитетная независимая исследовательская компания, занимающаяся перспективными разработками в области силовых установок для автотранспорта. Ее специалисты решают широкий круг задач, от исследования и оптимизации рабочих процессов в ДВС до создания концептов и полностью готовых к производству конструкций бензиновых и дизельных двигателей, моторов на альтернативных видах топлива, гибридных установок, систем управления и агрегатов трансмиссии. Компания активно сотрудничает с автоконцернами, прежде всего с европейскими, и большинство работ выполняет по их заказу. Помимо этого, FEV является крупнейшим производителем инструментов, приборов и стендов для испытания автомобильных агрегатов. Кстати, в ходе работ по проекту SVC SAAB привлекал компанию FEV в качестве независимого эксперта, который после тщательных испытаний подтвердил характеристики VCR-прототипа и возможность его дальнейшего совершенствования.
Так же как и шведский концерн, FEV на протяжении ряда лет работала над созданием двигателя с изменяемой степенью сжатия, и ее усилия были не безуспешными. Инженеры компании за основу взяли схему, позволяющую изменять величину остова двигателя поворотом эксцентриковых втулок, размещенных между коренными шейками коленчатого вала и его опорами. Каждая втулка имеет рычаг с зубчатым венцом, который входит в зацепление с шестерней, расположенной на регулирующем валу. Вращение регулирующего вала приводит к одновременному повороту эксцентриковых втулок. Степень сжатия меняется вследствие изменения положения поршня в ВМТ.
VCR-система, разработанная инженерами FEV, имеет диапазон регулировки степени сжатия от 8 до 16. Регулирующий вал приводит во вращение электромотор. Изменение £ от максимума до минимума происходит за 0,1 с, в обратную сторону – за 0,5 с. «Дрейф» оси вращения коленчатого вала компенсируется двумя «хитрыми» муфтами с изменяемым смещением. Одна соединяет вал с маховиком, другая – со шкивом. Утверждается, что эти соединительные элементы идентичны по массе и габаритам стандартному двухмассовому маховику.
Система была внедрена в доработанный 4-цилиндровый турбодвигатель с рабочим объемом 1,8 л. Двигатель отработал на стенде более 400 ч, подтвердив работоспособность и надежность VCR-механизма. В ходе испытаний были получены максимальный крутящий момент 300 Н-м (среднее эффективное давление в 21 бар достигалось при 2300 мин1) и номинальная мощность 218 л.с. при 5500 мин1. Трение и уровень акустических шумов практически не отличались от характеристик стандартных моторов.
Впоследствии двигатель был установлен на демонстрационный автомобиль Audi А6 вместо штатного мотора 3,0 л V6. Тестирование показало 25%-ное сокращение потребления топлива при незначительном изменении ездовых характеристик автомобиля. К началу 2003 года машина проехала с VCR-двигателем несколько тысяч километров. За это время не было отмечено ни повреждений, ни необычного износа двигателя.
На очередном всемирном конгрессе SAE, состоявшемся в апреле 2007 года в Детройте, FEV продемонстрировала экспериментальный двигатель V6 GTDI, предназначенный для работы на бензине или бензиноспиртовой смеси Е-85. В конструкции двигателя использован механизм VCR, который соседствует с системами турбонаддува и непосредственного впрыска топлива. Мотор расходует топливо примерно так же, как и «шестерки» традиционной конструкции, а по тяговым характеристикам не уступает двигателям V8. К тому же ему неведомы недостатки, вызванные использованием менее энергоемкого альтернативного топлива.
Оценивая конструкцию системы FEV VCR, пожалуй, можно согласиться с разработчиками в том,что ее применение не требует фундаментальной доработки базового двигателя, а массовое производство может быть освоено на существующих технологических линиях. Но у занудных скептиков все же появляются вопросы. Не приведет ли наличие эксцентриков к уменьшению жесткости крепления коленвала? Удастся ли обеспечить достаточный ресурс абсолютно новых узлов – соединительных муфт? Ведь через одну из них транспортируются почти все «ньютонометры», вырабатываемые тяговитым двигателем. Причем транспортируются с неизбежными механическими потерями. Не являются ли сами муфты источником дисбаланса? Насколько обоснованны эти опасения – судите сами. Впрочем, и специалисты FEV, компетентность которых не вызывает сомнений, далеко не все поставили на схему с регулируемым положением коленвала. В содружестве с PSA Peugeot Citrodn, Volvo и Renault они параллельно исследуют альтернативные способы регулирования степени сжатия, в том числе с использованием многозвенных преобразующих механизмов.
Уникальную информацию по устройству, эксплуатации и ремонту систем турбонаддува смотрите на сайте turbomaster.ru
