Какие ассоциации возникают, когда упоминается слово «форкамера»? Наверное, у всех одинаковые. Или нет? Нам сразу вспоминаются некогда знаменитые дизельные двигатели. Такие, например, как Mercedes OM 601 (см фото 1) или Mitsubishi 4D56 (см фото 2).
Здесь, на нашем канале, скорее всего, нет нужды объяснять какие эти самые форкамеры (иначе предкамеры) выполняли функции и почему форкамерные двигатели устанавливали в основном на легковые или легкие коммерческие автомобили, а также, отчего сегодня форкамерные двигатели практически не используются? Или все-таки сказать об этом пару слов будет не лишне? Пожалуй, скажем.
Итак, в дизельных двигателях форкамеры применялись для того, чтобы процесс сгорания топлива происходил в два этапа. Двухэтапное сгорание позволяло снизить жесткость работы двигателя, облегчить холодный пуск, а также снизить токсичность выхлопа. Каким образом?
В двигателях с непосредственным впрыском топливо впрыскивается именно, что непосредственно в цилиндр, а сгорание происходит в одной камере (выемке в днище поршня). В форкамерном двигателе камера сгорания разделена на две не равные по объему части: форкамеру и собственно камеру сгорания. Топливо впрыскивается не прямо в цилиндр, а в небольшую по объему форкамеру, там оно воспламеняется и с высокой скоростью перетекает в основную камеру сгорания создавая турбулентность, что позволяет топливу лучше перемешиваться с воздухом даже при не очень большом давлении впрыска. В двигателях с непосредственным впрыском старых моделей топливо воспламеняется очень резко, давление в цилиндрах растет стремительно, создавая ударные нагрузки на элементы ЦПГ. От этого и возникает характерный «тракторный» звук. В форкамерных дизельных двигателях сгорание топлива начинается в небольшом объеме форкамеры, а затем переходит в основную камеру сгорания. Это делает нарастание давления более плавным. Двигатель работает мягче и тише. Благодаря более полному сгоранию топлива, в форкамерных двигателях, снижается токсичность выхлопа. А еще, конструкция форкамеры способствует лучшему испарению и подогреву топлива, что облегчает холодный пуск двигателя. Т.о. форкамерная схема сделала дизельный двигатель более пригодным для использования на легковых автомобилях.
Уместен вопрос: если все так прекрасно, то почему форкамерные двигатели не использовали на грузовых автомобилях? И почему в настоящее время от них ушли и в легковых?
Несмотря на более полное сгорание топлива, потери в форкамерных двигателях существенно выше, чем в двигателях с непосредственным впрыском. Двигатели с форкамерами расходуют на 10-15% больше топлива, чем их «непосредственные» собратья. На это можно было пойти, в случае с легковыми автомобилями, ради комфорта водителя и пассажиров, но не в случае с тяжелым грузовиком, который потребляет в год тысячи литров топлива и, соответственно, эти 10-15% - превращаются просто в огромные расходы.
Современные, как легковые, так и грузовые автомобили используют исключительно непосредственный впрыск. Системы Common Rail и пьезофорсунки способны впрыскивать топливо в несколько этапов и с высокой точностью, это позволило снизить шум и вибрации, а также вредные выбросы до уровня недостижимого для фуркамерных двигателей. Другое дело вопросы надежности, но здесь не об этом. Здесь и вообще-то о бензиновых двигателях.
А бензиновые двигатели причем? А вот причем. На Jeep Grand Cherokee, кроме всех прочих, ставился бензиновый двигатель ERB. V-образная шестерка объемом 3,6 л, мощность 284-294 л.с. Атмосферный. Так, вот теперь, на моделях для США, он будет заменен на новый двигатель Hurricane 4 Turbo. Двухлитровый, рядный, четырехцилиндровый. Как ясно из названия, турбированный, причем турбокомпрессор с изменяемой геометрией колеса турбины (изменяемым углом наклона лопаток) и системой зажигания turbulent jet ignition (TJI). Эта система не что иное, как форкамерная схема. Двухлитровый сей двигатель будет выдавать 329 л.с. при (правильно!) 6000 оборотов. Надежный мотор? Как думаете:)? Ну, ладно. Мы, наверное, постоянным читателям уже надоели этим брюзжанием по поводу современных двигателей. Сейчас не о надежности, а о форкамерах. Здесь-то это зачем? Нет, совсем не для того, для чего в дизеле. Здесь история другая. Этот двигатель работает на очень бедной смеси. Такую смесь даже и поджечь не так просто! От традиционной свечи зажигания она не загорится. Потому-то в этом двигателе интересно все, и впрыск, и зажигание.
В центре каждой камеры сгорания запрессована медная трубка (форкамера), внутри которой находится свеча зажигания. В эту трубку подается богатая топливная смесь. А основная (бедная) смесь попадает в цилиндры из коллектора. Богатая смесь в форкамере воспламеняется и поджигает основную (бедную) смесь. При этом, в камере сгорания имеется еще и вторая свеча, которая, как пишут в англоязычных материалах, призвана «управлять процессом сгорания». Что это значит, поначалу было нам не совсем понятно. Смысл в том, что вот, дескать, комбинация из непосредственного впрыска и распределенного впрыска во впускной коллектор. Электроника, в зависимости от режима работы, сама выбирает какой тип впрыска и зажигания или их сочетание использовать в целях максимальной эффективности в каждый момент. Как хотите, а на наш взгляд, звучит мутно и… опасно😊! Но как бы там ни было, двигатель выдает впечатляющие показатели. Он еще и на 10% экономичнее предшественника, что, конечно, в наше дивное время, очень существенно.
«Живьем» этого чуда мы, пока, разумеется, не видели, а картинки наворовали все из тех же заморских источников. Так вот аккуратно выглядит этот двигатель.
Головка 16-ти клапанная, двухвальная (оба вала, разумеется, с фазовращателями). Выпускные клапаны с натрием. В центре каждой камеры сгорания, как уже говорилось выше, форкамера со свечей, справа вторая свеча – это все понятно. А вот что это за каналы такие (на картинке внизу камеры сгорания)? Уж не тот ли самый впрыск, который, якобы, в коллектор? Не ошибка ли в материалах, которые мы использовали? А может, там датчик какой живет? Стали глубже копаться, еще читать и вычитали, что все, оказывается, еще интереснее! В этом двигателе есть и непосредственный впрыск в цилиндры, и распределенный в коллектор. Когда работает непосредственный впрыск для поджигания смеси достаточно обычной свечи, а вот когда из коллектора поступает бедная смесь тут задействуется форкамера. А в каких-то режимах обе системы работают одновременно.
Цилиндры в этом двигателе, конечно, тоже не простые. Блок, разумеется, алюминиевый, а на стенках цилиндров ультратонкое покрытие PTWA (plasma transfer wire arc) выполненное, как следует из названия, плазменным напылением. Покрытие это имеет низкий коэффициент трения и обладает износостойкостью в 10(!) раз превосходящей чугунные гильзы. Здорово! Но когда цилиндр задерет (а это рано или поздно случается) то делать что? Известно что! Гильзовать чугуном и искать подходящие по размерам поршневые кольца т.к. «оригинальные», вероятно, чугун быстренько сожрут.
Хорошо, что хоть коленчатый вал обыкновенный, по крайней мере с виду.
Вот такое чудо техники произвели на свет товарищи американцы. Появятся у нас в России такие автомобили? А если появятся, то сколько стоить будут?! Страшно представить! Но, что-то нам подсказывает, что конечно появятся! Приобретут их состоятельные кроты, покатаются, а потом продадут следующим счастливым обладателям, которые и будут разбираться с неисправностями комбинированного зажигания и изменяемой геометрией колеса турбины. Догадываемся, что занятие это будет увлекательным и недорогим😊.
И вот еще, что интересно! Говорят, все новое – это хорошо забытое старое. Наверное, это не всегда так, но в случае с бензиновым предкамерным двигателем точно! Такое уже было. И было, вероятно, не один раз, но мы хотим напомнить о серийно выпускавшемся советском бензиновом форкамерном двигателе.
Сама схема т.н. форкамерно-факельного зажигания на Горьковском автозаводе была разработана очень давно. Авторское свидетельство было выдано, аж в 1956-ом году! Однако, производить двигатели такого типа первой начала в 1972-ом году небезызвестная компания Honda, которая с помощью каких-то юридических ухищрений обошла приоритет советского патента.
А в СССР только в 1980 были проведены приемочные испытания автомобиля ГАЗ-3102 на который был установлен двигатель ГАЗ 4022.10 с этим самым форкамерно-факельным зажиганием. Вот ниже, схема такого двигателя.
Испытания эти показали разнообразные достоинства нового двигателя в т.ч. выдающуюся топливную экономичность и с 1981 года такие двигатели ЗМЗ начал производить серийно. На протяжении 10-ти лет было выпущено порядка 27000 автомобилей, оснащенных такими агрегатами, что в масштабах Советского Союза, немного.
Отчего же эта схема не получила развития ни в СССР, ни в Японии? Ну, СССР, допустим, приказал в начале 90-х долго жить со всеми известными последствиями, а Японцы-то, что?
Дело было, главным образом, в карбюраторах. Для эффективной работы форкамерного двигателя критически важна точная и равномерная подача смеси. Карбюраторные системы того времени с этим справлялись плохо. Кроме того, имели место разнообразные проблемы с надежностью. Так, в итоге, про такие двигатели и забыли. Надолго.
Да, но теперь-то есть продвинутые системы впрыска, и умная электроника чтобы ими управлять. Да и вообще, технологии нынешние не чета тем, что применялись пол века назад! Теперь-то все наверняка отлично получится, правда? И никаких проблем с надежностью не возникнет! Вы верите😊?