SAAB SVC 225л.с в 1.6л


Историческая справка по необычной разработке инженеров SAAB

Saab: есть идеи!

На первом эскизе, сделанном Гилбрандтом в начале 80-х, уже видны и приводной нагнетатель, и механизм наклона блока цилиндров

На первом эскизе, сделанном Гилбрандтом в начале 80-х, уже видны и приводной нагнетатель, и механизм наклона блока цилиндров— Смотрите, что сейчас произойдет, — инженер за рулем обычного с виду седана Saab 9-5 раскрыл ноутбук и подсоединил его к бортовой системе автомобиля. — Да не на экран смотрите, а под капот!
Под капотом и впрямь было на что посмотреть. Во-первых, там стояла совершенно нетипичная для Саабов рядная «пятерка». Во-вторых, если верить шведу, при рабочем объеме всего 1,6 л этот необычный силовой агрегат развивал ни много ни мал о 225 л.с. А в-третьих…
— Сейчас двигатель работает с максимальной степенью сжатия, — продолжал инженер. — Четырнадцать к одному. Но я нажимаю кнопку, и…
И двигатель по команде саабовца качнулся вперед и вверх.
— Теперь степень сжатия — всего восемь к одному!
А начиналось все почти двадцать лет назад с эскиза, который набросал на листке бумаги Пер Гилбрандт…
Пока в Тролльхэттане построено лишь два Сааба 9-5 с такими двигателями — нам показали оба, а прокатиться дали на одном из них

ИНЖЕНЕРЫ-ДВИГАТЕЛИСТЫ фирмы SААВ уже вписали в историю развития двигателей внутреннего сгорания как минимум две яркие строчки. В 1976 году SААВ первым применил турбонаддув на массовой модели Saab 99 Turbo (Chevrolet, BMW и Porsche выпускали серийные автомобили с турбомоторами и раньше, но малыми партиями). А в 1983-м SААВ первым из «европейцев» внедрил шестнадцатиклапанные головки с двумя «верхними» распредвалами — не на гоночных, а на серийных моторах.
Работать над проектом SVC (Saab Variable Compression, «изменение степени сжатия по-саабовски») в Тролльхэттане стали тоже в начале 80-х. Автором идеи был не кто иной, как легендарный инженер-двигателист Пер Гилбрандт — «отец» саабовского турбонаддува. А краеугольным камнем всей концепции была убежденность Гилбрандта в том, что…

ХОРОШЕГО ДВИГАТЕЛЯ ДОЛЖНО БЫТЬ… МАЛО!

Помните рекламную кампанию: «Saab против стероидов»? В Тролльхэттане всегда считали, что добиваться роста мощности нужно не экстенсивным, а интенсивным путем — то есть не увеличением рабочего объема, а более эффективным использованием небольшой кубатуры. Для этого существует два основных способа. Первый — это столь любимый Гилбрандтом наддув: воздух в цилиндры подается под избыточным давлением, что позволяет сжечь в малом объеме камеры сгорания больше топлива и тем самым значительно увеличить литровую мощность (для серийных моторов — до 120—140 л.с./л). А чтобы избежать детонации (это взрывное сгорание, которое может разрушить детали двигателя), степень сжатия двигателя с наддувом снижают до 8,0 против обычной для современных моторов величины 9,3—10,3.
Второй способ применяется для форсирования безнаддувных моторов. Здесь, наоборот, увеличивают степень сжатия и тем самым повышают «плотность» энергетического заряда в камере сгорания. Но и на этом пути конструкторов двигателей подстерегает опасность детонации — чем выше нагрузка и ниже обороты, тем вероятнее, что контролируемое сгорание превратится в микровзрыв. Конечно, бороться с детонацией и увеличивать степень сжатия современных серийных двигателей позволяют высокооктановый бензин и электронные системы зажигания с датчиками, «прослушивающими» камеры сгорания на предмет возникновения детонационных ударных волн. Но и при этом степень сжатия самых высокофорсированных атмосферных моторов с удельной мощностью около 120 л.с./л (Honda S2000) не удается поднять выше 11.
И какими бы ни были подходы к форсировке, степень сжатия у всех серийных поршневых двигателей — это величина постоянная, заданная соотношением полного объема цилиндра и объема камеры сгорания. Хотя еще в начале века инженеры-двигателисты задумывались над созданием мотора, степень сжатия которого можно было бы менять в зависимости от условий работы. Ведь на высоких оборотах и при малых нагрузках, когда детонационная опасность невелика, степень сжатия можно было бы доводить до 12—14, тем самым увеличивая КПД двигателя. А при открытии дроссельной заслонки такой мотор можно было бы дефорсировать до детонационно безопасной степени сжатия, скажем, 10…
Так вот. Пер Гилбрандт взялся не только воплотить такой двигатель «в металле», но и соединить два направления форсировки. Шведы задумали построить двигатель и с наддувом, и с изменяемой степенью сжатия!

КРИК-3

— Итак, кто поедет первым?
Саабовский инженер складывает ноутбук и пересаживается на пассажирское сиденье. Теперь каждый из приглашенных журналистов сможет сам опробовать на ходу уникальный Saab 9-5 с экспериментальным двигателем SVC!
Первый старт с места у всех заканчивается одинаково: Saab дергается и… глохнет. Все верно: мыслимо ли, чтобы 1600-кубовый мотор тянул полуторатонный седан, да еще с четырьмя седоками?
Раскрутив двигатель до 2000 об/мин, старт все же удается «выиграть». И потом начинается невероятное. Двигатель рабочим объемом всего 1,6 л, который только что казался слишком слабым для большого Сааба, вдруг выдает неожиданно мощное ускорение! По характеру двигатель SVC очень напоминает 212-сильный атмосферный мотор «заряженного» седана Honda Accord Type-R: та же умеренная тяга до 3000 об/мин и столь же мощная реакция на нажатие педали газа на высоких оборотах.
«Звуковое сопровождение» тоже впечатляет. Когда педаль газа отпущена, ничего необычного в голосе этого двигателя нет. Но стоит чуть открыть дроссельную заслонку, и из-под капота раздается короткий скрежещущий звук, для описания которого лучше всего подходит английское слово scream, выбранное американцами в качестве названия для известной серии фильмов ужасов. Да-да, это именно крик, вслед за которым под днищем сочно и гулко начинает клокотать «настроенный» выхлоп, а мотор просыпается и радует отменной тягой.

Внешний вид двигателя SVC в «безнаддувном» положении (степень сжатия — 8:1). Верхняя часть мотора — моноблок: головка и блок цилиндра отлиты заодно, чтобы обеспечить полную герметичность камеры сгорания при столь высоком давлении наддува (прокладку наверняка бы «пробило»). Двигатель длинноходный: соотношение диаметра цилиндра и хода поршня — 68/88 мм. Для эффективного снижения температуры воздуха, прошедшего через нагнетатель, интеркулер имеет автономное жидкостное охлаждение

Так выглядят «живой» двигатель SVC (на нижнем снимке) и его внешние скоростные характеристики. Заявленная максимальная мощность — 225 л.с., крутящий момент — 305 Нм
1 — спиральный нагнетатель. 2 — жидкостный интеркулер. 3 —моноблок. 4 — прокладка герметизации картера. 5 — гидропривод наклона моноблока. 6 — сцепление привода нагнетателя

На холостых оборотах и при сбросе газа моноблок занимает самое нижнее положение, в котором объем камеры сгорания минимален (степень сжатия — 14:1). Агрегат наддува отключен, и воздух поступает в двигатель напрямую. Под нагрузкой механизм отклоняет моноблок вбок, и надпоршневой объем увеличивается. При этом сцепление подключает нагнетатель, и воздух начинает поступать в цилиндры под избыточным давлением

«Крик» раздается в момент подключения спирального механического нагнетателя типа Lysholm. Он приводится ремнем от коленчатого вала двигателя и снабжен сцеплением, которое выключает наддув при работе мотора на малых нагрузках. А стоит нажать на газ, и электроника дает команду на включение наддува. Нагнетатель настолько мощный, что развиваемое им давление может достигать 2,8 бара! (Для сравнения — турбокомпрессоры высокого давления в самых мощных серийных турбомоторах не развивают свыше 1,0—1,2 бара). Вот откуда после «крика» в недрах 1600-кубового двигателя появляется такая тяга. И понятно, почему трогаться неудобно. Ведь на подключение наддува требуется некоторое время, в течение которого мотор остается «атмосферным». К тому же, мощный нагнетатель при включении отбирает немалую часть крутящего момента, и для того, чтобы он не «посадил» двигатель окончательно, сцепление наддува срабатывает плавно.
Но отключаемый приводной нагнетатель — лишь одна «изюминка» двигателя SVC. А главное — это возможность плавно изменять степень сжатия в пределах от 8 до 14.
Для этого двигатель разделен на две части, соединенные друг с другом наподобие шкатулки с откидной крышкой. Коленчатый вал с шатунами и поршнями располагается снизу, как обычно, а блок цилиндров, отлитый заодно с головкой (так называемый моноблок), «надет» на поршни сверху. Рычажная система с гидроприводом позволяет наклонять моноблок, изменяя оставшийся объем над поршнями. Поэтому степень сжатия может плавно меняться от 14:1 в «нижнем» положении моноблока до 8:1 в «верхнем».
На холостых оборотах под капотом экспериментального Сааба молотит безнаддувная «пятерка» объемом 1,6 л с очень высокой степенью сжатия 14, что позволяет существенно экономить топливо. Кстати, этот же режим (степень сжатия 14, наддув отключен) задействован при сбросе газа, что здорово увеличивает эффективность торможения двигателем.
Если автомобиль движется с постоянной скоростью, то наддув или отключен, или работает, но с минимальным давлением. Система SVC при этом постоянно «играет» степенью сжатия в пределах 10—12, удерживая сгорание топливно-воздушной смеси на грани детонации и извлекая максимально возможный в данном случае КПД. А стоит открыть дроссельную заслонку посильнее, и степень сжатия упадет до 8. Зато давление наддува возрастет — если необходимо, то до максимальных 2,8 бара.
Это уже третье поколение моторов SVC. Первый «живой» двигатель, который был построен шведами в начале 90-х годов, был двухлитровым. А развиваемая им мощность оказалась столь высока, что следующий мотор Гилбрандт с коллегами решили сделать поскромнее — рабочим объемом всего 1,4 л. По отдаче этот двигатель был сравним с трехлитровым мотором V6, но был при этом на 30% экономичнее. Любопытно, что тот мотор был рядной «шестеркой».
И только в «третьей серии» проекта SVC саабовцы пришли к нынешнему пятицилиндровому мотору объемом 1,6 л. Но и этот двигатель пока еще «сырой». Судя по ощущениям, мощность вряд ли дотягивает до обещанных 225 л.с. А кроме «криков», при движении здорово мешают запаздывания при подключении наддува. По словам шведов, окончательная доводка займет еще около пяти лет. И вовсе не факт, что серийный двигатель Saab с изменяемой степенью сжатия будет точно таким же, как этот «SVC-3».
Но в активе саабовских двигателистов есть еще одна оригинальная разработка, которая имеет шансы встать на конвейер раньше, чем мотор SVC. Речь идет о проекте SCC — Saab Combustion Control. Это не что иное, как двигатель с непосредственным впрыском бензина. Но впрыском совсем не таким, как на появившихся недавно моторах Mitsubishi GDI и на аналогичных конструкциях!

— Системы «японского» непосредственного впрыска (Mitsubishi GDI, Toyota D4 и их европейские последователи) обеспечивают экономию топлива благодаря работе на сверхобедненной смеси в малонагруженных режимах, на холостом ходу или при движении с невысокой скоростью, — рассказывает главный инженер проекта SCC. — Именно эти режимы и доминируют в условиях Японии с ее постоянными пробками и жесткими ограничениями скорости. Но при интенсивных разгонах или при движении по скоростным автострадам, что характерно для Европы, «японские» двигатели переходят на обычный режим, экономия в котором выходит не столь существенной. Кроме того, использование сверхобедненной смеси увеличивает выбросы токсичных окислов азота NOx, для нейтрализации которых приходится применять дорогостоящие «азотные ловушки». А их катализатор очень легко «отравляется» малейшими сернистыми примесями, что требует применения сверхчистого бензина…
Словом, в Тролльхэттане считают, что непосредственный впрыск по-японски хорош для Японии, но не для Европы. И потому решили экономить топливо по-другому. Двигатель SCC работает на смеси бензина, воздуха и… выхлопных газов! Причем доля продуктов сгорания в свежей смеси тем выше, чем меньше нагрузка двигателя. На холостом ходу она может достигать 70%!
Но двигатель SCC отличает не только интенсивное применение рециркуляции выхлопных газов. Чтобы поджечь горючую смесь, «растворенную» в инертном выхлопе, пришлось применить две оригинальные разработки. Во-первых, впрыск топлива происходит не во впускной коллектор, как в обычных моторах, а непосредственно в камеру сгорания — через комбинированную свечу-форсунку, расположенную в центре между четырьмя клапанами. А во-вторых, бензин сюда впрыскивается не чистый, а уже смешанный со сжатым воздухом! Кроме того, в середине такта сжатия в цилиндр дополнительно «вдувается» порция сжатого воздуха — чтобы взвихрить смесь и хорошенько ее перемешать.

Впрыск бензовоздушной смеси под давлением 6—7 бар происходит во время перекрытия клапанов (конец фазы выпуска и начало такта впуска)
При такте впуска в цилиндр сначала засасываются выхлопные газы, которые попали во впускной коллектор при перекрытии клапанов... ... и лишь потом — порция свежего воздуха, объем которой напрямую зависит от нагрузки. При работе на холостом ходу смесь в цилиндре содержит до 70% выхлопных газов!
В середине такта сжатия через свечу-форсунку впрыскивается порция сжатого воздуха без бензина — это завихряет и перемешивает горючую смесь На малых нагрузках, когда смесь сильно разбавлена выхлопными газами, зажигание делают ранним, и искра получается «длинной» (она бьет в боковой электрод) С ростом нагрузки зажигание становится «позднее», и искра «переключается» на поршень (в зависимости от момента зажигания зазор уменьшается от 3,5 до 1 мм)
Чтобы точно регулировать объем выхлопных газов, остающихся в цилиндрах двигателя SCC, оба распредвала — и впускной, и выпускной — оснащены механизмами поворота. Это позволяет изменять продолжительность фазы перекрытия клапанов. На малых нагрузках, когда выхлопных газов много, смесь поджигается «длинной» искрой через 3,5-миллиметровый промежуток бокового электрода. А на больших нагрузках искра перескакивает на выступ в днище поршня
1 — свеча-форсунка. 2 — топливный и воздушный насосы. 3 — турбокомпрессор
Одно из преимуществ «шведского» (на самом деле — австралийского) непосредственного впрыска — относительно низкое давление в 6—7 бар, которое должны развивать топливный и воздушный насосы (давление впрыска в моторах Mitsubishi GDI и им подобных достигает 100 бар). При этом двигатель SCC работает на обычной, а не на сверхобедненной смеси, и для него не нужны специальные нейтрализаторы. Основная экономия достигается за счет сокращения насосных потерь — на малых нагрузках двигатель не тратит энергию на создание разрежения за дроссельной заслонкой, заполняя пустоту в цилиндрах выхлопными газами

Технология необычного впрыска разработана специалистами австралийской инжиниринговой фирмы Orbital. Помнится, лет пять назад австралийцы уже представляли публике образец двухтактного мотора с непосредственным впрыском бензовоздушной смеси в цилиндры. Наконец-то их идеям нашлось применение в четырехтактном саабовском двигателе…
Но и это еще не все. Помните экспериментальный двигатель, который SAAB показал в 1995 году на Женевском автосалоне? Роль бокового электрода свечи зажигания в нем выполнял поршень — искра проскакивала между центральным электродом свечи и выступом на днище поршня. Теперь на двигателе SCC шведы представили следующую ступень развития идеи — «двухэлектродное» зажигание. В зависимости от нагрузки двигателя искра бьет или в боковой электрод, удаленный от свечи-форсунки на 3,5 мм, или в выступ на поршне — при этом искровой промежуток сокращается вплоть до привычного одного миллиметра. И энергия у искры такова, что и впрямь «слона убьет» — 80 мДж, вчетверо больше, чем обычно!
Технология SCC сулит 10-процентное снижение расхода топлива и значительное очищение выхлопа от токсичных компонентов. Например, выбросы ядовитых окислов азота NOx должны сократиться на 75%. И в сочетании со столь любимым саабовцами турбонаддувом это позволит создавать мощные и вместе с тем экономичные и экологичные двигатели.
Инженеры работают над проектом SCC пять лет и через три года обещают довести технологию до конвейерной готовности. Так что следующее поколение автомобилей Saab уже будет оснащено моторами со «шведским» непосредственным впрыском. А в будущем саабовцы обещают совместить технологии SVC и SCC «в одном флаконе».
Любопытно, что почти все идеи, над воплощением которых работают на Саабе, давным-давно известны. Например, двигателями с изменяемой степенью сжатия занимаются в лабораториях многих автомобилестроительных фирм и даже в московском институте НАМИ. Но Saab с мотором SVC уже ездит!
Так что «отец» саабовского турбонаддува Пер Гилбрандт имеет все основания гордиться своим детищем. Сам Гилбрандт уже на пенсии, но от дел не отходит. Оборудовал в собственном домике настоящую мастерскую, да и на SAAB наведывается регулярно. Дел там сейчас невпроворот. Ведь с недавнего времени лабораториям фирмы SAAB присвоен статус центра экспертизы моторов с наддувом в рамках всего концерна General Motors! И, возможно, бензовоздушный впрыск или изменяемая степень сжатия в будущем появятся не только на саабовских двигателях…

http://www.autoreview.ru/new_site/year2000/n21/saab/saaab2.htm

Похожие записи: