Японские инженеры придумали «идеальный двигатель»

Бензиновые двигатели и дизели: два мира, две концепции, которые в последние годы все чаще пытаются свести к одной – бензодизельной. Наиболее дерзкую технологию разрабатывает Mazda, обещая бензиновому мотору дизельную степень сжатия и феноменальную эффективность. Что сулит новая технология и не является ли она «чистым маркетингом» – разбирался наш сайт.

Соблазнительность дизеля всегда объяснялась его экономичностью. На это есть две основные причины: высокая степень сжатия и отсутствие дроссельной заслонки. Первая обеспечивает термодинамическую эффективность, второе снижает так называемые насосные потери. Основная польза от дизельного цикла чувствуется на частичных нагрузках.

До поры до времени дизели уступали бензиновым двигателям в удельной мощности, но повальное внедрение турбонаддува нивелировало эту разницу, поэтому экологически озабоченные страны охватила дизельная лихорадка. После дизельгейта VW и ряда аналогичных скандалов репутация дизелей резко пошла на спад, но это больше связано с политикой, чем техникой.

В отличие от дизелей, бензиновые моторы склонны к детонации – взрывному неконтролируемому сгоранию, что в основном и ограничивает их степень сжатия, а с ней и термический КПД. Кроме того, они нуждаются в дроссельной заслонке, которая душит их на режимах малых нагрузок, снижая экономичность. Дроссель необходим из-за неспособности мотора с искровым зажиганием работать на очень бедных смесях: они попросту не воспламеняются свечой.

Идея сделать бензиновый цикл столь же экономичным предпринимаются постоянно. Наиболее значимая технология в этой области – это прямой впрыск бензина в камеру сгорания. Такой двигатель все равно работает по бензиновому циклу (Отто или Миллера) с искровым зажиганием и дроссельной заслонкой, но при правильной организации процесса переваривает обедненные смеси и менее склонен к детонации. Это позволяет поднять степень сжатия до 11-12 единиц в сочетании с турбонаддувом, что по дизельным меркам все равно детский сад.

Другая «примиряющая» технология – это отказ от дроссельной заслонки: в этом случае количество воздуха обычно регулируется ходом клапанов (Valvetronic BMW), но эффект в принципе ограничен.

Вообще, все плюсы и минусы обоих типов двигателей определяются типом смесеобразования.

В бензиновом моторе перед воспламенением топливовоздушная смесь однородна (гомогенна) или близка к ней, а зажигание происходит принудительно от свечи. Моторы с прямым впрыском бензина иногда делают смесь слоистой (у свечи более богатой), но до дизельного «расслоения» не доходит.

В дизеле смесь самовоспламеняется в крайне неоднородном состоянии: к началу горения не все топливо успевает даже испариться. Это наделяет дизель двумя плюсами и одним минусом: с одной стороны, он может работать на очень бедных смесях и при очень высоких степенях сжатия, с другой стороны, смеси оптимального состава (стехиометрические) ему противопоказаны, что ограничивает удельную мощность. Сегодня на первый план выходит и другая проблема дизелей – высокие выбросы окислов азота из-за работы на бедных смесях при высоких нагрузках.

А как выглядит идеальный цикл? Он должен быть устойчив к детонации и работать на смесях самого разного качества – от сверхбедных до нормальных (стехиометрических). Пока ни один мотор полностью этим критериям не соответствует.

Mazda заявляет, что нашла решение проблемы, и готовится запустить серийное производство мотора, работающего по «комбинированному» циклу HCCI – в нем происходит самовоспламенение гомогенной смести. Первое качество – от дизеля, второе – от бензинового мотора.

Технология является развитием маздовских идей Skyactive, которые позволили ей выпустить бензиновые двигатели со степенью сжатия 13-14 единиц. На полях заметим, что зависимость экономичности от степени сжатия не всегда однозначна, например, немаловажным обстоятельством является угол опережения зажигания – позднее зажигание снижает риск детонации, но ухудшает экономичность.

В новом моторе Skyactive-G Mazda планирует впервые в истории массового автопрома отказаться от принудительного зажигания бензина, по крайней мере, на режимах частичных нагрузок. Компания якобы нашла способ самовоспламенять смесь сразу в нескольких точках.

Если перейти на социальные аналогии, то сгорание – это что-то вроде революции. Детонационное сгорание – неконтролируемый и очень резкий слом строя, который граничит с анархией и полным распадом. В этой аналогии Mazda придумала процесс, при котором революционные массы восстают не из одного центра, а сразу повсеместно, при этом оставаясь подконтрольными единоначалию. Этакая мягкая и единодушная революция. Звучит сказочно, но посмотрим.

На самом деле, в моторе Skyactive-G реализовано два цикла: на режимах полных нагрузок он работает по классическому бензиновому принципу с искровым зажиганием, что хорошо для снижения выбросов азота и повышения удельной мощности. На частичных нагрузках, когда на первый план выходит экономичность, он переходит на близкий к дизельному цикл с самовоспламенением и коэффициентом избытка воздуха свыше пяти единиц (у бензинового он всегда в районе 1). Изюминка в том, что столь бедную смесь уже не поджечь свечой, поэтому «Мазде» понадобилось какое-то волшебство, чтобы заставить топливо правильно самовоспламеняться. Бензины, как известно, отличаются высокой температурой воспламенения, поэтому к самодеятельности в этой области не склонны.

Mazda планирует повысить степень сжатия до 18 единиц – по крайней мере, такие величины назывались во время презентации технологии. Для бензинового мотора это, безусловно, прорыв, ибо нормой сегодня является 10-12 единиц.

Поставит ли «скайактив» окончательный крест на традиционном разделении на бензиновые двигатели и дизеля? Покажет лишь практика. Если предположить, что заявки Mazda верны, технология в самом деле выглядит привлекательной: представьте мотор, который обеспечивает хорошую удельную мощность без наддува, и экономичен, когда вы едете вполсилы. Mazda заявляет аж 30-процентное повышение КПД, что, конечно, будоражит фантазию.

Но есть и почва для скепсиса. Во-первых, удастся ли подтвердить эти заявки практикой или получится очередной мотор, который по паспорту 3 л/100 км, а в реальной жизни – стандартные 6-10 л/100 км? Во-вторых, всерьез заботит его надежность. Не исключено, что тонкая организация рабочего процесса сделает его гиперчувствительным к октановому числу топлива, и любые отклонения могут дорого обойтись. В обычном бензиновом моторе риски детонации контролируются специальным датчиком, и при угрозе уменьшается угол опережения зажигания. Самовоспламенение на частичных нагрузках лишает такой гибкости, а на полном газу, подозреваю, угол опережения и так будет на грани допустимого без запаса на детонацию.

Впрочем, интрига есть, и это хорошо.

PS: уточним, что многотопливные дизели, способные работать на бензине, давно используются в танкостроении, однако к совмещению плюсов бензинового мотора и дизеля это не относится. На бензине военный дизель может работать ограниченное время в форс-мажорных обстоятельствах без какого-либо профита для мощности и/или экономичности.