Історія розвитку двигунів внутрішнього згоряння

5

Типи двигунів внутрішнього згоряння: історія, перспективи та новітні розробки

Перший бензиновий двигун був побудований 140 років тому, з тих пір базовий принцип роботи цих установок не змінився.

Дивіться також: Еволюція двигуна внутрішнього згоряння

Основний принцип полягає в тому, що паливо подається в камеру згоряння з певною кількістю повітря, і ця готова суміш підпалюється іскрою. Дані підходи з тих пір не змінилися, хоча значно скоротилися викиди бензинового двигуна за останнє сторіччя.

1. Еволюція двигунів внутрішнього згоряння

Історія розвитку двигунів внутрішнього згоряння

Перші бензинові двигуни працювали з карбюраторами, це рішення досі використовується в класичних моделях автомобілів.

Однак карбюратори були не найефективнішим способом приготування горючої суміші палива і повітря), тому інженери продовжили розвивати системи запалювання, щоб підвищувати ефективність роботи двигуна. У минулому столітті війна за кінські сили не означала автоматичного пошуку вирішення проблеми викидів, тому підвищення коефіцієнта корисної дії (ККД) двигуна було єдиним, що мало значення.

У світлі сьогоднішніх актуальних тенденцій скорочення обсягів викидів від бензинових двигунів ми вважаємо чотиритактний бензиновий двигун свого роду нормою або еталоном екологічності двигуна. Пов’язано це в першу чергу з тим, що дану установку не треба було заправляти сумішшю палива з додаванням олії, щоб забезпечити внутрішню змащування циліндрів, завдяки чому ці двигуни не генерували велика кількість синього диму. На наш погляд, це технічне рішення було першим кроком у покращенні бензинових двигунів.

1.1. Система механічного впорскування палива (МВТ)

Історія розвитку двигунів внутрішнього згоряння

Наступним великим кроком у цьому напрямку стала система механічного впорскування палива. Вона була розроблена під час Другої світової війни для винищувачів, але в кінцевому підсумку знайшла своє застосування в серійних транспортних засобах. Як здавалося раніше, дана розробка повинна була отримати найбільше поширення серед дорогих автомобілів, але, в кінцевому рахунку, вона стала широко використовуватися в авто середнього класу.

На відміну від карбюраторів, МВТ якісно забезпечував потрібну кількість палива і повітря для кожного циклу згоряння. Пізніше ця система вдосконалювалась на протязі багатьох років і досягла певного етапу досконалості в кінці 1980-х років. Між тим, деякі економічні автомобілі все ще використовували карбюратори, а механічний впорскування палива продовжував вважатися дорогою технологією. На жаль, як і карбюратори, МВТ мав свої недоліки, вимагав періодичної настройки. Але теоретично він міг працювати більш ефективно, чим карбюраторний двигун.

1.2. Система рециркуляції вихлопних газів

Історія розвитку двигунів внутрішнього згоряння

Система рециркуляції вихлопних газів була однією з перших систем, які скоротили викиди бензинових двигунів, а також підвищили їх загальну ефективність. Суть системи полягала в напрямку вихлопних газів назад у камеру згоряння, забезпечуючи зниження температури в ній. При використанні такої системи рециркуляції відпрацьованих газів двигуни швидше нагрівається до робочої температури, а недосконалість карбюраторною системи чинить менший вплив на підсумковий ККД двигуна. У свою чергу знижена температура в камері згоряння усунула проблему занадто раннього запалювання і детонації палива, завдяки чому двигун працював більш плавно.

Тим не менш перші системи рециркуляції відпрацьованих газів були занадто «сирими» і впливали на ефективну роботу двигуна. Зрештою, автовиробники почали контролювати системи рециркуляції вихлопних газів, щоб забезпечити покращений запуск і роботу на холостому ходу, а також підвищену продуктивність при високих навантаженнях з допомогою відключення системи. Більшість сучасних автомобілів все ще використовують систему рециркуляції відпрацьованих газів, в той час як деякі двигуни обходяться без неї завдяки іншим інженерним рішенням.

1.3. Електронні системи запалювання

Історія розвитку двигунів внутрішнього згоряння

Одним із найважливіших кроків у світі бензинових двигунів було впровадження електронних систем запалювання. У них використовувалися спеціальні датчики, щоб замінити вакуумні і відцентрові механізми управління запалюванням (трамблера). Це забезпечувало наявність іскри, необхідної для запалювання паливно-повітряної суміші в потрібний момент.

Дивіться також: Помилка двигуна: діагностичні коди несправностей

Спочатку вони були встановлені на карбюраторні двигуни для підвищення їх ефективності, і, в кінцевому рахунку, вони стали нормою для бензинових двигунів. Поряд з регулюванням карбюратора установка моменту запалювання була справжнім кошмаром для автовласників, коли вони не мали під рукою відповідних інструментів і достатнього досвіду регулювання. Все це призводило до підвищеної витрати палива протягом всього терміну використання автомобіля.

1.4. Збіднена паливна суміш

Історія розвитку двигунів внутрішнього згоряння

Ідея двигуна з використанням збідненої паливної суміші полягала в тому, щоб підвищити ефективність згоряння суміші, не використовуючи співвідношення кількості палива і повітря, характерне для тПорадиційного циклу Отто. Рішення було у використанні збідненої паливної суміші в співвідношенні часток повітря/паливо, в кілька разів перевищує стехіометричне 14,64:1 (суміш окислювача і пального, в якій окислювача рівно стільки, скільки необхідно для повного окислення пального).

Це рішення стало поширеним в кінці 1970-х років і використовувалося для деяких моделей «Chrysler», «Honda», «Nissan», «Mitsubishi» та «Toyota». Ідея цього типу двигуна полягала в тому, що він зменшував так звані дросельні втрати (які виникають із-за конструкції дросельної заслінки) і підвищував економію палива.

Дивіться також: Як можна знизити витрату палива на 12% за допомогою впускного колектора: рада Порше

Цей тип двигуна не отримав широкого розповсюдження, так як вимагав складної системи каталітичних нейтралізаторів. Дана концепція втратила актуальність з 1990-х років.

1.5. Електронний впорскування палива (ЕОТ)

Історія розвитку двигунів внутрішнього згоряння

Наступним значним досягненням у зниженні викидів бензинових двигунів (пізніше і дизельних двигунів) стало впровадження електронного уприскування палива. Це був ще більш точний механізм роботи, ніж механічні рішення, який забезпечив ще більш якісний контроль кількості палива в камері згоряння.

Початкові розробки представляли собою одноточечные системи упорскування, але технологія ЕОТ швидко розвинулася в багатоточкові варіанти. Пізніше його замінили прямим уприскуванням з міркувань ефективності.

На відміну від механічних систем вприскування палива, системи ЕОТ мали ще більше датчиків і дозволяли досягти ще більш високої точності. Їм також потрібні спеціальні комп’ютери для роботи, які керували електронною системою запалювання. Разом ці системи могли забезпечити двигун стехиометрической сумішшю повітря і палива на будь-якій швидкості і в будь-якому режимі роботи.

Ці нові двигуни з уприскуванням палива стали оснащуватися лямбда-датчиками (датчик залишкового кисню у випускному колекторі двигуна). Ці кисневі датчики, розміщені на вихлопній трубі, що використовуються для оцінки ефективності циклу горіння в двигуні, зменшують забруднення каталізаторів.

Сучасні автомобілі мають два або більше кисневих датчика, і вони розміщуються безпосередньо на потоці вихлопних газів (зазвичай до і після каталітичного нейтралізатора). Час запалення і уприскування постійно регулюється у відповідності з параметрами, встановленими на заводі, гарантуючи, що бензиновий двигун працює повністю у відповідності з нормами викидів. Результат досягається завдяки лямбда-зондах разом з роботою ЕОТ.

Історія розвитку двигунів внутрішнього згоряння

Вище ми згадали каталітичний нейтралізатор. Це пристрій, яке працює з електронним уприскуванням палива, щоб забезпечити більш низький рівень викидів для двигуна, який воно оснащує. Нейтралізатор працює за рахунок реакції окислення всередині каталізатора з допомогою містяться в ньому рідкісних металів.

Ці системи працювали в злагодженому тандемі більше двох десятиліть, забезпечуючи мир двигунами, які не будуть отруювати городян на вулицях при простаивании автомобілів в пробках. Тим не менш слабким місцем цієї системи було те, що навіть незначна несправність будь-якого з елементів призводила до відмови інших компонентів. Саме тому важливо стежити за індикатор на приладовій панелі «Check engine» і обслуговувати автомобіль з інтервалами, вказаних в керівництві з технічного обслуговування.

1.6. Прямий уприскування палива

Історія розвитку двигунів внутрішнього згоряння

Хоча це не недавній винахід, бензинові двигуни з прямим уприскуванням в останні кілька років отримують все більше поширення. Головна відмінність від інших систем полягає в тому, що вони доставляють паливо з більш високим тиском безпосередньо в камеру згоряння. Класичний впорскування палива доставляв пальне при тиску, приблизно дорівнює тому, який використовується в шинах легкового автомобіля.

Бензинові двигуни з прямим уприскуванням ставали все більш схожими на дизельні агрегати, доставляючи паливо в камеру згоряння. Нові інженерні рішення дозволили реалізувати розпилювання в камері згоряння навіть невеликої кількості пального, притому таким чином, щоб забезпечувати оптимальне займання.

2. Інші цикли згоряння

Історія розвитку двигунів внутрішнього згоряння
Цикл згоряння Отто – не єдиний спосіб роботи бензинового двигуна. Ще в 1882 році Джеймс Аткінсон розробив цикл згоряння, який носить його прізвище. Він не був такий популярний, як цикл Отто, з-за зниженого рівня потужності, яку він забезпечував порівняно з циклом внутрішнього згоряння Отто. Проте в сучасних гібридних установках стали застосовувати цикл Аткінсона завдяки його покращеною загальної ефективності.

Деякі двигуни використовували спеціальні механічні нагнітачі для компенсації зниженої потужності циклу Аткінсона, а саме цикл Міллера. На відміну від двигунів Отто, двигуни цього типу не були широко поширені.

Деякі автовиробники розробили двигуни з іскровим запалюванням, які працюють у циклі Аткінсона при низьких обертах, а потім переключаються на цикл Отто для забезпечення високої віддачі. Наприклад, «Mazda» робить це з допомогою своїх 2,0-літрових агрегатів «Skyactiv-G», і «Toyota» використовує аналогічну концепцію на двигуні «Lexus NX200t».

3. Що чекає в майбутньому двигуни з іскровим запалюванням?

Історія розвитку двигунів внутрішнього згоряння

Ми очікуємо, що майбутні бензинові двигуни будуть мати покращені свічки запалювання, широке поширення отримає лазерне займання. Таку схему в даний час розробляє «Mazda» для своїх роторних двигунів. Крім того, майбутнє – за відмовою від використання дросельної заслінки («BMW» вже робить це на своїх двигунах «Valvetronic»). Сам цикл згоряння може бути покращено за рахунок повної синхронізації всіх стадій процесу.

В даний час регулювання фаз газорозподілу є звичайною справою в автомобільній промисловості поряд з прямим уприскуванням. Але «Koenigsegg» вже розробив безступінчатий двигун для підвищення потужності і ККД. Тим не менше компанія поки не використовує цей прототип ні в одному зі своїх автомобілів.