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
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)
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
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
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
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)
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.
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
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
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?
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.
