Дизельные двигатели обладают множеством достоинств. Они мощнее и тяговитее бензиновых собратьев, экономичнее и базово, за счет отсутствия сложной системы зажигания и некоторых других узлов, проще по конструкции, а, значит, надежнее. Определяющим фактором для этих и некоторых других преимуществ является высокая – гораздо выше, чем у бензиновых моторов – степень сжатия. Так, может, и бензиновым ДВС стоит ее увеличить, чтобы они стали эффективнее? Литр объема, «дизельная» степень сжатия – и вот вам двести лошадей и невероятная экономичность. Нет, не все так просто, как кажется на первый взгляд. А что именно непросто – расскажем в нашей публикации.
Необходимое уточнение
Давайте условимся сразу: тема, которую мы собираемся затронуть, является в автомобилестроении с момента его зарождения одной из самых главных и обсуждаемых. Сломано немало копий, мелким почерком исписаны тонны бумаги, и всё это – не досужие размышления Манилова о том, «как хорошо было бы…», а точные и подробные расчеты при разных вводных и вариантах развития, усиленные десятками (если не сотнями) тысяч кандидатских и докторских диссертаций.
Но самое важное то, что окончательной точки в разгуле этой исследовательской вакханалии еще не поставлено. Поэтому сделанные сегодня выводы (не только нами, но и инженерной братией) вполне могут быть пересмотрены через десятилетие или даже через год. Так что все, сказанное ниже, – это точка зрения текущего момента. Постараемся изложить ее в максимально доступном и понятном виде без многоэтажных формул и трансцендентных формулировок.
Похожие, но разные
Несмотря на внешнюю схожесть в плане четырехтактной схемы (здесь и далее речь будет идти только о ней), бензиновый и дизельный циклы имеют фундаментальные различия. Мы об это уже рассказывали, но коротко напомним: главным образом эти различия обусловлены тем, что по своим физико-химическим свойствам бензин и дизтопливо – это совсем не одно и то же. Бензин более летучий и легкий (диапазон его плотности – примерно 715-780 кг/м³ против 820-860 кг/м³ у дизеля), к тому же и испаряется он быстрее, и самовоспламеняется при более высоких температурах.
Фото: autowp.ruПоследний параметр чрезвычайно важен именно в контексте степени сжатия. Не будем приводить конкретные значения, поскольку они сильно зависят от определенных факторов (давления, температуры и прочих), однако разница может доходить до весьма существенных 25-35%. А что лучше способствует повышению температуры в ограниченных условиях цилиндра двигателя, чем еще большее сжатие поступающего воздуха?
При этом, скорее всего, мало кто из рядовых автолюбителей задумывался о том, что такое на самом деле эта пресловутая степень сжатия. Хрестоматийное определение описывает ее как отношение объемов двух надпоршневых пространств: при нахождении поршня в нижней мертвой точке и в верхней мертвой точке (НМТ и ВМТ соответственно). Иными словами, это отношение полного объема цилиндра к объему камеры сгорания.
То есть, когда мы говорим, что у некоего двигателя степень сжатия составляет 9:1, это означает, что двигатель способен сжать находящуюся внутри цилиндра субстанцию до объема, который в девять раз меньше первоначального.
Фото: FreepikГерои высоких степеней
Вот тут начинается самая жара в прямом и переносном смыслах слова. В современных серийных бензиновых автомобильных двигателях степень сжатия варьируется в пределах от 8,0:1 до 12,0:1. Конечно, есть исключения, и самый главный любитель сжать посильнее – это, безусловно, Mazda. Компания выстрелила целой серией движков с повышенной способностью к сжиманию содержимого цилиндров под названием Skyactiv. Наибольшего значения добились 2-литровые рядные 4-цилиндровые моторы Mazda Skyactiv-X, появившиеся в 2019 году. В них степень сжатия достигает невиданных в бензиновом семействе 16,3:1. Эти агрегаты используются на таких моделях, как Mazda CX-30 и Mazda 3.
Фото: autowp.ruВ 2017 году свой проект в этой области запустили и маздовские земляки из Toyota. Речь идет о линейке двигателей Dynamic Force, и с ней тойотовцы замахнулись шире, создавая не только рядные, но и V-образные агрегаты с числом цилиндров от трех до шести.
Линейка стартовала с мотора A25A на Camry XV70 и включает такие серии, как М15, М20, а также двигатели S20A-FTS, T24A-FTS и V35A-FTS. Количество использующих эти агрегаты моделей исчисляется уже десятками. Правда, слишком круто зарубаться Toyota не стала и довольствовалась максимальной степенью сжатия 14,0:1.
Фото: gwshawon, autowp.ruВ 2018 году в погоню за степенью сжатия отправилась Infiniti. Но бренд решил палить из всех стволов сразу в двух зайцев, поэтому просто повышением не ограничился, разыграв еще и другую карту – с переменной степенью сжатия. В итоге на свет народился Infiniti VC-Turbo, способный изменять степень сжатия от 8,0:1 до 14,0:1.
Пример из европейской практики – Ferrari 458 Speciale. Машина не то чтобы совсем серийная, но больше тысячи единиц в продажу поступило. Этот автомобиль оснащался одной из версий V-образной «восьмерки» F136 от Ferrari, степень сжатия которой достигала тех же самых 14,0:1.
Фото: autowp.ruКакое же это все-таки забавное число – 14! Для бензиновых моторов это одна из почти недосягаемых вершин, а в мире дизеля, где от 14 все только начинается, это ничего не значащая кочка. А вершины в этом волшебном мире сладких ароматов – это где-то на уровне 23,0:1. Бензинкам сюда не запрыгнуть… Или все-таки запрыгнуть?
Все во благо, но что-то мешает
Итак, высокая степень сжатия позволяет двигателю внутреннего сгорания – тепловому, не забывайте, двигателю – извлекать большее количество механической энергии из заданного объема топлива за счет более высокого теплового КПД. Это происходит потому, что, как уже было сказано, чем сильнее сжатие, тем выше давление и, следовательно, температура.
За счет этого сгорание происходит более эффективно, и для поддержания необходимых параметров, например, определенной скорости или эквивалентного крутящего момента, требуется меньше горючего. К тому же более полное сгорание топлива способствует сокращению выбросов многих вредных веществ и парниковых газов. С другой стороны, из-за того, что больше тепловой энергии преобразуется в кинетическую, то есть, в механическую работу движущегося поршня, меньше тепла теряется, а выхлопные газы лучше охлаждаются.
Фото: ssuaphoto, depositphotos.comОднако получить все эти профиты увеличенной степенью сжатия бензиновому двигателю (по крайней мере, пока) не дано. Все дело как раз в свойствах бензина и дизтоплива, с которых мы начали наш разговор. А причина кроется в страшном слове на букву «Д» – детонация.
Страшное слово на букву «Д»
Детонация простым языком – это спонтанное и неконтролируемое взрывное самовоспламенение. Когда она происходит, фронт пламени создает пиковое давление в камере сгорания еще до того, как поршень достигнет верхней мертвой точки. Поэтому риск катастрофы чрезвычайно велик: шатун и вся система привода еще толкает поршень вверх, а огромное давление сверху не просто противостоит этому движению, но и норовит отправить его обратно вниз. Как следствие – фатальные разрушения механики двигателя, да и самого двигателя нередко тоже. Помимо этого повреждаются поршневые кольца и сами поршни, ибо высокие температуры и контрдавление не щадят ничего и никого.
Дизельный двигатель в большей степени защищен от детонации, чем бензиновый, потому что температура воспламенения дизельного топлива меньше, чем бензина. Это позволяет увеличивать степень сжатия без риска детонации и достигать воспламенения без использования специального источника воспламенения, а только лишь за счет нагнетания давления.
Фото: General MotorsЗдесь надо вспомнить, что, в отличие от бензинового двигателя и бензинового цикла, в дизельном сжимается не топливовоздушная смесь (ТВС), а только лишь воздух, и когда он достигает необходимой для воспламенения температуры, впрыскивается горючее. То есть, дизтопливо подается только тогда, когда уже пора этой шарманке возгораться, и для мгновенного воспламенения используется высокая температура сильно сжатого воздуха.
Таким образом, все происходит штатно и спокойно, а чтобы это происходило без постороннего вмешательства, нам как раз и необходима высокая степень сжатия – на бензиновых 8,0-12,0:1 дизель и кряхтеть не начнет.
Но если мы в те же условия загоним бензиновую ТВС, то под капотом случится фейерверк, поскольку мощная детонация может начаться еще на самых дальних подступах к ВМТ. Тут, конечно же, надо бы сделать экскурс в теорию октановых чисел, но усложнять не хочется, поэтому просто будьте уверены: даже самые высокие октановые числа от детонации в этом случае не спасут – они не могут в заданные моменты времени превращать бензин в дизель и наоборот. А чтобы бензин выдержал такую степень сжатия без взрывного самовоспламенения, он должен быть именно дизелем.
Тотчас возникает резонный вопрос: а неужели нельзя что-нибудь подшаманить, чтобы оно там не взрывалось так резко? Да хотя бы как дизель – впрыскивать бензин в камеру уже после максимального сжатия воздуха.
Фото: Ksandrphoto, FreepikВот маздовцы, тойотовцы и прочие Феррари сейчас над этим работают и добиваются неплохих результатов. А сталевары и химики помогают им новыми сверхпрочными сплавами и композитами. Впрочем, когда контрдавление возникает вне графика, даже сверхпрочные материалы не могут стать спасением для двигателя: не шатун лопнет, так что-нибудь другое вдребезги разлетится.
Поэтому нужно искать иные кинематические схемы, иные алгоритмы воспламенения и сжигания. Собственно, на этом и базируются уже существующие технологии. Skyactiv-X, например, вообще играет на грани фола, то есть, на грани детонации с дополнительными впрыскиваниями топлива и попытками обеспечить воспламенение от сжатия.
Но тут уже вмешивается совершенно другой фактор. Проведенные в тысячах исследований расчеты убедительно показывают, что в определенный момент наращивания степени сжатия величина достигаемых преимуществ стремительно снижается. Развитие происходит по логарифмической прямой (или кривой – кому как удобнее ее называть): сначала идет резкое увеличение КПД с приростом до 10% мощности на каждую единицу степени сжатия, а потом – постепенное угасание, вызванное механическими потерями, трением, экстремальными нагрузками и прочими факторами.
Фото: MazdaПограничный рубеж – как раз те самые 12,0-14,0:1, на которых сейчас и остановились адепты увеличенной степени сжатия. Дошедшая до 16,3:1 Mazda не очень убедительна. Ее HF-VPH (так в производстве обозначается тот самый Skyactiv-X) выдает лишь до 190 л. с. и до 240 Нм при массе 120 кг, а расход топлива в исполнении мягкого гибрида с 6-ступенчатой механикой и передним приводом в смешанном цикле заявлен на уровне 6 литров на 100 километров. И это не стандартный бензин, а никак не меньше АИ-98 в российской классификации. То есть, с точки зрения потребительских характеристик, он абсолютно такой же, как и все прочие. Следовательно, зачем эти танцы со сжатыми бубнами и значительное усложнение конструкции, когда мы можем просто поиграться с наддувом и достичь аналогичных характеристик при меньших усилиях?
Фото: autowp.ruПохоже, пока не будет дан вразумительный ответ на этот вопрос, развития темы повышения степени сжатия у бензиновых двигателей мы не получим. А в ситуации обострения экологических колик и наращивания электроприводной истерии ожидать скорого даже не ответа, а хотя бы рассмотрения этого вопроса вряд ли стоит. Возможно, этим могло бы заняться отстающее российское автомобилестроение, далекое от электропривода, как кукла Барби от банки белорусской тушенки, но в попытках самоопределения оно, похоже, совсем забыло, что помимо производственной надо заниматься еще и исследовательской работой.
