Существует ли идеальный мотор для снегохода? Возможна ли единственно верная комбинация экологически чистого, легкого по массе, мощного и надежного? С каждой новой разработкой вновь возрождается интерес - "вот он!" - мотор-надежда, двигатель-мечта.
Первый ответ пришел с электронным управлением впрыском топлива - решение представляло собой сектор газа, который точно дозирует топливо - воздушную смесь и экономично приготовляет ее с учетом атмосферного давления, влажности и температуры.
Затем появились системы прямого впрыска топлива DFI на двухтактных моторах - и выбросы окиси углерода сократились на 75% и даже более. Когда моторы с системой DFI вышли на рынок, высказывались мнения о желательности перехода на четырехтактные моторы, которые обеспечивают столь же низкие показатели выбросов, но безо всяких технологических ухищрений.
Когда двухтактные моторы DFI и новые четырехтактные моторы добрались до покупателя, оба типа моторов были сопоставимо экономичны и экологичны.
Клиенту понравился звук четырехтактных моторов, но их огромный вес был эквивалентен наличию дополнительного пассажира. И вот, чтобы улучшить отношение веса к мощности, появились небольшие четырехтактные моторы с турбо- и подобными нагнетателями: пришла пора новой революции. Может ли промышленность создать что-нибудь подъемное и мощное?
Что придумает комиссия по экологии в следующий раз?
Какие же существующие технологии отомрут, и какие придут на их место? На самом деле, конструкция мотора снегохода - это не что-то конкретное, как сказал один генерал 19-го века: "Ни один план еще не пережил столкновения с противником".
Наша промышленность сможет описать, как происходило развитие, и сможет истолковать это развитие, так что мы уже сможем понять события и, что они означают. Достаточно нам вспомнить, что всего лишь несколько лет назад добавки MTBE были всем рекомендованы как спасение для атмосферы и заводы ценой в миллионы долларов были построены для производства этой добавки. Вскоре после того добавки MTBE были запрещены, поскольку их высокая растворимость в почвенных водах загрязнила тысячи гектаров земли. Человек - разумное существо, однако знание его не абсолютно - мы идем к знанию по пути проб и ошибок. Благодаря рекламе выбор делать легко и приятно, однако следует перевернуть и последнюю страницу инструкции, чтобы посмотреть на цену.
Появившиеся первыми, истинные карбюраторные двухтактные моторы прошли через 30 лет глубоких усовершенствований цилиндров и клапанов, что привело к росту их мощности и резко снизило потребление топлива. Сегодня такие моторы вырабатывают до 200 л.с. на литр собственного объема, тогда как максимальное потребление топлива снизилось с величины около 385 г/л.с. * час до 295 г/л.с. * час или на 20-25%. По сути дела, это удивительно мощные и легкие маленькие электростанции.
Система EFI
В качестве первой реакции на появление жестких экологических стандартов были разработаны и, в ограниченном количестве внедрены системы электронного управления подачей топлива (типа ETBI или EFI).
В таких системах карбюраторы были замещены системой регуляторов и форсунок. Огромное потенциальное преимущество электронной системы управления подачей топлива состояло в том, что количество поступающего топлива посредством электроники и датчиков в точности соответствует количеству воздуха, что обеспечивает потребное соотношение горючего и воздуха.
В карбюраторных двигателях карбюратор настроен так, чтобы смесь была достаточно богатой для надежной работы двигателя в самой холодной прогнозируемой ситуации. Как следствие, разумеется, топливная смесь во всех остальных случаях становится переобогащенной, что на больших высотах над уровнем моря приводит к прямому выбросу несгоревшего топлива в окружающую среду.
С тех пор электронные регуляторы подачи топлива признаны весьма эффективным средством улучшения экологической обстановки, обеспечивая тем самым чистоту работы в сочетании с экономным расходом топлива с учетом атмосферного давления и температуры.
В высокооборотных моторах настройки форсунки карбюраторов и положение иголок в них - меняются для компенсации смены атмосферных условий. Без таких регулировок топливная смесь от карбюратора будет поступать в мотор переобогащенной - в теплую погоду и на больших высотах над уровнем моря, или обедненной - в сильный мороз и при высоком барометрическом давлении.
В этом смысле электронное управление подачей топлива работает подобно постоянно выполняемой регулировке карбюратора соответственно смене внешних атмосферных условий. Хотя в результате и мощность двигателя возрастает, и снижается количество выбросов вредных веществ, но не решается принципиальная проблема двухтактных моторов - у них цилиндры продуваются и заполняются не чистым воздухом, как у дизельных моторов, а приготовленной топливо - воздушной смесью. Поскольку впускное и выпускное отверстия цилиндра открываются одновременно во время заполнения цилиндра, и в карбюраторных моторах и в моторах с электронной дозировкой подачи, некоторое количество топлива выбрасывается через выпускное отверстие и загрязняет окружающую среду.
Явление народу DFI
Для решения указанной проблемы, были созданы системы прямого впрыска топлива (DFI). Таким образом, были устранены выбросы топлива через открытое выпускное отверстие в цилиндре путем непосредственной подачи дозируемого количества топлива прямо в камеру сгорания сразу после того, как выпускное отверстие закроется.
Однако поскольку промежуток времени между закрытием выпускного отверстия и подачей зажигания очень мал, то требуется использовать специальные форсунки, создающие мелкодисперсную взвесь топлива, существенно отличающиеся от тех, что применяются в автомобильных системах электронного впрыска топлива.
Широко известны две системы электронного впрыска топлива - Orbital и Ficht. Обе эти системы снижают выбросы окислов углерода на 75-80%, уменьшая при этом потребление топлива до уровня ниже аналогичного для четырехтактных двигателей. Тогда как двухтактный мотор с хорошо настроенным карбюратором или с системой дозированной подачи топлива TBI может потреблять около 295 г/л.с. * час, оборудованные системой DFI моторы потребляют не более 205-25 г/л.с. * час.
Проблемы с DFI
Есть серьезные препятствия широкому применению системы DFI как на подвесных лодочных моторах, так и на малолитражных автомобилях.
Большая часть подвесных лодочных моторов с ранними версиями системы Ficht испытывала проблемы при работе длительное время в состоянии, пограничном между двумя характерными для этого типа моторов режимами: на малых оборотах существенная экономия получается от работы в режиме <порционного зажигания>, когда подается топливный аэрозоль богатый достаточно, чтобы сработало зажигание, но в общем случае мотор работает на обедненной смеси, тогда как на высоких оборотах, вся подаваемая смесь насыщена топливом (режим "распределенного зажигания").
В других же приложениях к моторам с системой Ficht относятся настороженно. К примеру, в автомобилестроении США, где первоначальный интерес к двухтактным моторам с системами DFI сменился неопределенным выжиданием ужесточения экологических норм, хотя множество мощных двухтактных моторов весьма успешно эксплуатируются в Европе и Австралии.
Полу - прямой впрыск
Дополняет картину совместное творение инженеров Bombardier - Rotax - система полу -прямого впрыска SDI, которая использует сравнительно дешевые комплектующие при том, что результат достигается сопоставимый с тем, что предоставляет система DFI.
Моторы SDI успешно эксплуатируются уже несколько лет на гидроциклах Sea-Doo и показывают хорошие результаты не снегоходах. Основная причина успешной работы системы SDI в том, что разработчики двухтактных моторов обратили внимание на ключевой момент управлении состоянием цилиндров - необходимость разделения свежей смеси и отработанных газов - прежде всего направлением потоков воздуха в цилиндре.
Избирательно вводя капли топлива в этот поток, подальше от выхлопного отверстия, можно избежать попадания топлива в атмосферу.
И хотя моторы SDI, установленные на моделях 2004 года от компании Ski-Doo, оснащены значительно усовершенствованными сравнительно с первыми системами Sea-Doo, устройствами впрыска, моторы Bombardier SDI в основе своей те же самые, что и в момент их создания. Инженеры компании уверены, что дальнейшее совершенствование мотора вполне возможно без его коренной переделки благодаря его простому устройству.
Хотя полноценная система DFI и увеличивает стоимость мотора на 20-30% его первоначальной стоимости (это же справедливо и для дизельных моторов), то система SDI может обойтись в сумму, которая сопоставима с карбюраторными устройствами.
А не ввести ли в конструкцию мотора каталитические конверторы?
Моторы с карбюраторами или с управляемой подачей топлива выбрасывают в выхлопные клапаны слишком много окиси углерода, чтобы здесь можно было поставить каталитический конвертор: чем больше окислов углерода катализатор будет сжигать, тем сильнее он будет раскаляться. А вот на моторах с системами DFI и SDI, к выхлопным отверстиям которых поступает сравнительно мало окиси углерода, катализаторы вполне успешно смогут дополнительно очистить выхлопные газы, если вдруг экологические законы еще более ужесточатся.
В то же самое время, четырехтактные моторы вполне способны удовлетворить (и удовлетворяют) требованиям экологического законодательства даже на базе карбюраторной подачи топлива, однако ужесточение природоохранных требований может потребовать более точной регулировки подачи топлива или электронных самонастраивающихся устройств впрыска топлива.
Более того, процесс сжигания топлива в четырехтактных моторах проходит более глубоко, нежели чем в двухтактных. Более высокая температура сгорания топлива обычно производит больше нитратов, тогда как пониженная температура сгорания в двухтактных моторах (из-за холостого движения выхлопных газов в камере сгорания между циклами) имеет следствием образование меньшего количества этих самых нитратов. Любое изменение, повышающее температуру в камере сгорания (большая степень сжатия, турбонаддув и т.п.) - также повышают выход окислов азота.
Достоинства четырех тактов
Четырехтактные моторы имеют очевидные преимущества. Благодаря четкому разделению всех четырех событий, происходящих в цилиндре - впуск, сжатие, сгорание и выпуск - легко предотвратить попадание свежей порции топлива в систему отвода выхлопных газов с образованием ядовитых окислов углерода.
Правильная настройка клапанов помогает решить экологическую проблему даже с использованием карбюратора - мы можем это видеть на примере снегохода Yamaha RX-1.
Смазочное масло отделено от камеры сгорания, а распредвал и другие смазываемые части мотора используют масло, проходящее закрытый цикл, благодаря чему срок службы этих узлов и деталей весьма продолжителен. Поршневые кольца эффективно отсекают масло от попадания в камеру сгорания. Поскольку большинство среднего класса четырехтактных моторов развивают различное давление над поршнем, тяговые характеристики четырехтактных моторов весьма разнятся, что позволяет подобрать мотор к нуждам каждого отдельного пользователя.
...и недостатки
Четырехтактные моторы платят за свои достоинства почти 40%-ным увеличением веса и размеров сравнительно с двухтактными моторами той же мощности.
Те, кто купят Yamaha RX-1 со 140-сильным мотором, легко в этом убедятся. Мощность и приятный тихий звук мотора - большое достоинство, однако помните, что тяжелые машины гораздо хуже в движении по рыхлому снегу.
А на что же расходуется лишний вес?
Прежде всего - это сама моторная часть двигателя - клапаны, цилиндры, маховики поршней и их смазочное окружение. Не так очевиден дополнительный вес, необходимый для обеспечения четырехтактного движения поршней в их верхней точке при максимальном сжатии среды, чтобы они не остановились в своей верхней мертвой точке.
Если повысить скорость вращения распределительного вала, возникающая от вращающихся противовесов и шатунов поршней сила возрастает пропорционально квадрату частоты вращения. Чтобы удержать эти вращающиеся массы, требуется дополнительное количество металла, прочные цилиндры и массивные опорные подшипники.
Сравнение мощности двухтактных моторов с четырехтактными одновременно должно учитывать возрастание массы мотора или скорости вращения распредвала - или и то, и другое одновременно. Для обеспечения необходимой скорости движения поршня при максимальных оборотах вала обычно увеличивают количество цилиндров с коротким ходом.
Все это однозначно приводит к увеличению массы.
Дополнительная мощность
Когда требуется мощность, то о простоте конструкции можно забыть. Чтобы подать нужное количество воздуха на высоких оборотах вала, время задержки срабатывания клапанов должно быть увеличено - включая период такта выпуска отработанных газов, когда впускные клапаны уже открыты, а выпускные еще не полностью закрылись.
Итак, четырехтактный мотор начинает работать подобно двухтактному, поскольку смесь вводится в камеру сгорания не движением поршня (который стоит почти неподвижно у своей мертвой точки), но волной разрежения, распространяющейся от выпускного клапана. В идеальном случае волна разрежения от выпускного клапана должна остаться в камере сгорания. Эта волна высасывает отработанные газы из цилиндра и, засасывает свежую порцию топлива из мгновенно открывающегося впускного клапана.
В общем, этим движением начинается такт впуска топливной смеси, а отработанные газы, уходящие наружу из камеры сгорания над поршнем, находящимся вблизи своей мертвой точки, не разбавляют поступающую топливо - воздушную смесь, что могло бы снизить устойчивость работы мотора на холостом ходу.
А теперь плохие новости
Если увеличить время срабатывания клапанов для повышения мощности мотора, свежее топливо начнет попадать в выхлопную систему - как это происходит на карбюраторных двухтактных моторах. Для предотвращения подобного явления, четырехтактные моторы следует оснастить системой электронного впрыска топлива, чтобы топливный аэрозоль не поступил в камеру сгорания до тех пор, пока не закроется клапан выпускного отверстия.
В точности, как и в двухтактных моторах, некоторое снижение оборотов ведет к обращению волны разрежения в камере сгорания, в результате чего снижается тяга двигателя. Более того, обращенная волна разрежения возвращается к клапану, задавливает отработанные газы обратно в цилиндр и даже может выдавить газы в карбюратор.
В итоге, регистрируется плоская полка на диаграмме тяги, которая отмечается обычно при оборотах, составляющих 70% от максимальных для этого мотора.
Как облегчить четырехтактный мотор?
Один из возможных способов снижения веса четырехтактного мотора - создание мотора меньших размеров той же мощности с устройством принудительной подачи воздуха (турбонагнетатель). Грубо говоря, мощность мотора прямо пропорциональна давлению в его глушителе, так что если увеличить вдвое давление на выходе из глушителя при полных оборотах мотора с помощью нагнетателя, можно смело ожидать двукратного роста мощности мотора.
Разве что придется пожертвовать некоторым увеличением веса, который придется на долю нагнетателя - примерно 7 кг. Моторы Polaris 750 с двумя и Cat 660 с тремя нагнетателями являются классическим образцами такого подхода.
Успешность такого способа снижения веса зависит от надежности работы мотора в целом с увеличенной подачей воздуха, поскольку, чем больше давление подачи воздуха, тем больше такой мотор похож на двигатели 80-х годов в автомобильной Формуле-1.
Соответственно, должен быть решен ряд сопутствующих проблем.
Во-первых, для предотвращения детонации следует снизить степень сжатия в моторе. Это увеличит расход топлива при не полностью открытой заслонке дросселя. Попутно должна быть решена проблема охлаждения рабочей поверхности поршня, для чего форсунками можно подавать масло к нижней поверхности головки поршня, что в свою очередь потребует установки более производительного масляного насоса и, очень возможно, создать систему управления подачей масла.
Во-вторых, поскольку рост давления воздуха увеличивает пиковое давление в камере сгорания, то должна быть увеличена прочность и надежность уплотнений головок цилиндров. Чтобы предотвратить проблемы с уплотнениями, современные гоночные четырехтактные моторы изготавливаются с ребрами жесткости, которые винтами крепятся на головку цилиндра.
Третья проблема относится к нагреву. Хотя проблемы с охлаждением выпускных клапанов редки на четырехтактных двигателях с водяным охлаждением, если такие моторы работают в условиях высоких нагрузок, перегревающиеся выпускные клапаны начинают изготавливать из разного рода экзотических сплавов вроде никелевого и организуют "целевое охлаждение". Это означает создание системы высокопроизводительных форсунок для подачи охладителя непосредственно к самому разогретому узлу двигателя.
Борьба за чистоту выхлопа
Если комиссия правительства США по экологии продолжит свою деятельность, требования к уровню выбросов будут ужесточаться. Естественно полагать, что требования к моторам снегоходов в части уровня выбросов не будут отставать от аналогичных требований к моторам автомобилей.
Для четырехтактных моторов это может означать обязательное внедрение впрыска топлива, катализаторов, воздушных насосов и, возможно, со временем, обедненного сжигания. Может показаться странным, но форсунки для автомобильного обедненного сжигания топлива и зонной подачи топлива - те же самые, что были в свое время созданы для высокоскоростного аэрозольного впрыска топлива на двухтактных моторах типа DFI!
Если допустимый уровень нитратов будет снижен, то четырехтактные моторы начнут проигрывать в этом параметре двухтактным собратьям, как было указано выше. Это значит, что однажды на четырехтактные моторы снегоходов придется ставить полностью автоматический трехходовой автомобильный катализатор для дожигания выхлопа.
Будущее за Дизелем?
Инженеры автомобильной промышленности США внимательно изучают опыт Европы, где 40% новых автомобилей продаются с небольшими, но высокоэффективными турбо-дизелями. Изменения в экологическом законодательстве могут привести к аналогичным изменениям на рынке автомобилей в США, однако в несколько иных пропорциях, поскольку экономическая эффективность моторов Дизеля на 30-40% выше, чем у бензиновых аналогов. Такие дизельные моторы, благодаря усовершенствованным системам впрыска топлива, в эксплуатации ни в чем не уступят бензиновым. Соответственно, и мы можем вполне обоснованно предсказать появление дизельных моторов на снегоходах.
Все выше сказанное показывает, насколько трудно инженерам прогнозировать будущее развития снегоходостроения. Нет простого, очевидного ответа...
Вот почему корпорация Bombardier все время как бы <сидит на двух стульях>, занимаясь и двухтактными, и четырехтактными двигателями. С тех пор, как эта корпорация приобрела известного моторостроителя - компанию Outboard Marine (производителя подвесных лодочных моторов Evinrude-Johnson), вместе с покупкой корпорация получила и права на технологию прямого впрыска топлива Ficht, ранее принадлежавшие OMC.
Ранние версии системы Ficht с форсунками, управляемыми магнитными катушками, которые устанавливаются на моторных лодках, в настоящее время дополнены форсунками, управляемыми ультразвуковыми генераторами, которые обеспечивают большую эффективность управления подачей топлива на высоких оборотах двигателя. Именно такие системы могут появиться на моторах снегоходов.
С другой стороны, будущее самих четырехтактных моторов видится совершенно неплохо. Всего лишь за один только год появление снегохода Yamaha RX-1 привело к тому, что на 25% возросло количество потенциальных покупателей, которые изменили свое отношение к четырехтактным моторам и собираются приобрести в будущем снегоход именно с таким двигателем! Мы с любопытством ожидаем от инженеров компании Yamaha новых предложений.
Жизнь инженера - постоянный поиск нового, наполненный открытиями и озарениями. Напротив, рекламные службы крупными мазками рисуют для обывателя ясную картину происходящего под броскими слоганами, вроде "Вот оно, будущее!"
Давайте не будем простаками и, попробуем внимательнее вглядеться в контуры завтрашнего дня.
