Заряд бодрости

Разработчики находятся в шаге от создания полноценного двигателя, использующего компрессионное воспламенение гомогенного заряда, однако шаг этот никак им не дается.

В погоне за экономичностью машин автомобильные компании идут на различные ухищрения, добавляя передачи в коробки, устанавливая турбины или снижая количество цилиндров. Есть и другая возможность – совместить преимущества дизельного и бензинового двигателя, но этот путь требует больших трат средств и времени.

Как отмечают эксперты, значительной экономии топлива удается добиться при модернизации моторов, а не усовершенствовании трансмиссии. Правда, последнее намного проще и дешевле для производителя.

Например, стоимость ручной 5-ступенчатой коробки передач составляет около 650-800 долл. Ее модернизация и увеличение количества скоростей до шести повысит цену на 10-20% и даст экономию топлива в 4%. Усовершенствование двигателя обходится производителю куда дороже.

Похожая ситуация наблюдается и с выбросами углекислого газа. Модернизация моторов позволила бы значительно понизить уровень загрязнения окружающей среды, но существует риск того, что разработка не окупится. Проще оборудовать автомобиль системой start-stop за 320 долл и снизить выбросы CO2 на 4-8%.

Давняя мечта

Инженеры давно пытаются разработать двигатель, который бы работал на бензине, но совмещал искровое зажигание и воспламенение от сжатия. Это позволило бы совместить тягови-тость дизеля и относительно низкий уровень выбросов загрязняющих веществ бензиновых моторов.

В настоящее время разработками в этой области заняты несколько компаний. В частности, возглавляемый Robert Bosch GmbH консорциум выделил на эти цели 24,5 млн долл., причем 12 млн были получены в качестве гранта от Министерства энергетики США. Участники проекта надеются создать коммерчески выгодный двигатель, использующий компрессионное воспламенение однородной смеси или HCCI (Homogeneous Charge Compression Ignition).

Разработчики полагают, что мотор будет потреблять на 30% меньше топлива по сравнению с традиционными двигателями. Этого удастся добиться с помощью как уменьшения объема агрегата, так и установки start-stop системы.

По данным портала Autonews.com, прототипом нового двигателя служит мотор, оснащенный механическим нагнеталем, турбона-гнеталем, использует систему изменения фаз газораспределения и непосредственного впрыска топлива. Как отмечают участники проекта, сейчас под капотом фактически находится исследовательская лаборатория, однако задача инженеров – сделать возможной постановку ее на конвейер.

Принцип работы

Эффективность HCCI-двигателя достигается благодаря тому, что имитирует работу дизеля. Бензин, воздух и рециркулируемые отработавшие газы подаются в камеру сгорания, затем происходит сжатие и самовоспламенение смеси. Для того чтобы получить необходимое соотношения воздуха и топлива, используется небольшой механический нагнетатель, с помощью которого в двигатель поступает дополнительный воздух.

В результате мотор может работать на обедненной смеси топлива и воздуха, что и позволяет значительно экономить на бензине. Плюс ко всему, автомобилю с такой установкой не требуется сложная система нейтрализации оксида азота, как у автомобилей с дизельным двигателем.

Использование компрессионного воспламенения однородной смеси позволяет мотору работать в режиме воспламенения от сжатия на средних оборотах и переходить на искровое зажигание при высоких. Эта особенность и есть главная проблема для инженеров.

Чтобы обеспечить бесперебойную смену режимов, мотор следует оборудовать особым контроллером. А чем выше скорость, тем сложнее это сделать. Цель разработчиков – добиться перехода от искрового зажигания к воспламенению от сжатия без появления ощутимой вибрации и изменения величины вращающего момента. В принципе, отмечают специалисты, добиться плавной перемены режимов можно, однако есть и другие трудности с внедрением агрегата в производство.

При переходе от искрового зажигания к воспламенению от сжатия даже небольшое изменение температуры мотора способно изменить время сгорания топлива.

Горение под присмотром

Одним из основных препятствий развития HCCI является то, что максимальная нагрузка, показываемая этими двигателями, меньше бензиновых и дизельных. При повышении определенного порога интенсивность прироста давления достигает слишком высоких значений, что приводит к детонации. Для того чтобы понять, какие шаги необходимо предпринимать в дальнейшем для устранения возникающих проблем, специалистам пришлось буквально заглянуть в работающий двигатель.

Эксперты Национальной лаборатории Sandia (занимающейся в том числе вопросами управляемого термоядерного синтеза) создали модель двигателя, которая как раз и позволяет наблюдать и, что не менее важно, измерять гомогенность заряда.

Как показали результаты наблюдения, несмотря на то что поступающая топливовоздушная смесь была однородна, различные факторы, включая передачу тепла к стенкам камеры сгорания, нагретые в ходе предыдущего цикла зоны, вызывают термальную стратификацию внутри камеры.

Это приводило к тому, что смесь сгорала не вся и сразу. Самовоспламенение фиксировалось сначала в более разогретых областях, затем в более холодных, что приводило к снижению максимальной мощности.

По словам сотрудников лаборатории, у них накоплено много знаний о работе двигателей и лазерной диагностики, однако для полного понимания процесса термальной стратификации необходимо разработать специальные методики и оборудование. Это необходимый шаг для будущего развития HCCI-моторов.

Поматросили и бросили

Несмотря на то что эксперименты с HCCI-двигателем вели Daimler AG, Ford Motor Co., Volkswagen AG, Honda Motor Co. и General Motors, проблему до конца устранить не удалось.

Естественно, что интерес к технологии оказался большой. В начале 2000-х целый ряд ведущих производителей начали свои эксперименты с гомогенной топливо-воздушной смесью. Газета The Wall Street Journal еще в 2005 году сообщала со ссылкой на инженеров компании Honda о том, что производитель значительно продвинулся на пути создания HCCI-мотора. Более того, тогда представители компании, пожелавшие остаться неназванными, заявили изданию, что готовы представить разработку уже в 2006 году.

За основу новинки был взят 4-цилиндровый двигатель и, по словам инженеров, Honda смогла создать прототип HCCI-мотора, который работал без перебоев на небольших и средних скоростях. Технологию хотели применить на гибридном Civic. Согласно подсчетам, это позволило бы автомобилю проехать почти 105 км на 3,4 л топлива.

Другое дело, что на тот момент специалисты не могли добиться четкой работы агрегата при высоких оборотах (4 тыс. об/мин. и больше). Для сравнения, устанавливаемый серийно двигатель Honda спокойно выдает 6 тыс. об/мин.

Японцы подсчитали, что на тот момент новый гибридный Civic обошелся бы американскому покупателю на 3 тыс. долл. дороже модели с обычным двигателем. Увеличив экономичность гибрида с помощью технологии HCCI, производитель хотел убедить потребителей в обоснованности переплаты на фоне роста мировых цен на топливо.

С тех пор об успешном применении технологии не было слышно. Судя по тому, что на сайте компании запрос «HCCI» выдает лишь один результат, да и то в контексте программ компании по защите окружающей среды, справиться с нечеткой работой двигателя на высоких оборотах так и не удалось.

Приняли эстафету

В 2007 году Daimler представила новый мотор, названный DiesOtto. Разработчики похвастались, что он сочетает преимущества бензиновых и дизельных двигателей и заявили, что за такими моторами стоит ни много ни мало будущее моторов внутреннего сгорания. Ведь агрегат обладал мощностью бензинового V6, высоким крутящим моментом, а потреблял топлива столько же, сколько современный дизель.

В DiesOtto была применена технология переменной степени сжатия, непосредственного впрыска и турбонаддув. Такой мотор при объеме 1,8 л смог выдать мощность 238 л.с. Расход топлива составил 5,3 л на 100 км, а выбросы углекислого газа – 127 г на 1 км.

В 2009 году GM организовала для журналистов тест-драйв модели Saturn Aura, оснащенной модифицированным HCCI-двигателем объемом 2,2 л. Этот агрегат был способен работать в режиме воспламенения от сжатия до достижения скорости в 96,6 км/ч. Тогда это был существенный прорыв.

Тем не менее ни GM, ни другие автогиганты так и не вывели новинку на рынок. Сейчас активно занимается разработкой Bosch в сотрудничестве с группой компаний и исследовательских центров. Специалисты экспериментируют с 2-литровым двигателем Ecotec от GM. Он работает в паре с 6-ступенчатой коробкой передач. Эксперты надеются добиться от мотора мощности, сопоставимой с другим двигателем GM, V-образным мотором, объемом 3,6 л. При этом расход топлива должен снизиться на 30%.

Представить итоги работы команда надеется к середине 2014 года. Однако пока об успехах в деле обеспечения бесперебойной работы на высоких оборотах не слышно.

От редакции.

В статье использованы материалы зарубежных источников, поэтому некоторые ценовые показатели приводятся в долларах США, а терминология может немного отличаться от принятой у нас.

Пока ученые бьются над тем, чтобы добиться нормальной работы HCCI-двигателя на высоких оборотах, производители делают ставку на турбированные моторы.

• Андрей Филатов