Как се развиха бензиновите двигатели в последните 140 години

Първият бензинов двигател е създаден преди 140 години, но въпреки това модерните му наследници все още използват същия принцип на работа. Идеята се върти около това да вкараш гориво в горивна камера с точното количество въздух, след което да запалиш сместта със свещ. Някои неща не се променят. Освен разбира се, вредните емисии и разхода на гориво, които през последните години отбелязаха значителен спад.

Първите двигатели с вътрешно горене използват карбуратори, някои от които все още работят на борда на класически автомобили. Така или иначе, карбураторите не са никак ефективни, което накара инженерите да започнат да импровизират, за да увеличат ефективността и мощността. Но колко точно път са изминали двигателите през всички тези 14 десетилетия?

За отправна точка взимаме 4-тактовите бензинови двигатели, които са първата стъпка към подобряване на ефективността след двутактовите машини, които работят със смес от бензин и масло, което смазва цилиндрите отвътре. Следващата гигантска стъпка е използването на механична инжекция или MFI (Mechanical Fuel Injection). Технологията се разработва през Втората световна война за изтребителите, но някак си успява да намери път към масовото автомобилостроене.

За разлика от карбуратора, механичната инжекция осигурява точно определено количество от въздух и бензин на всеки цикъл от работата на двигателя. Тези системи биват усъвършенствани от инженерите през годините и се произвеждат чак до началото на 90-те. Междувременно, някои достъпни модели продължават да използват карбуратори, тъй като инжекционното пълнене е все още скъпа технология по това време. Разбира се, механичната инжекция също има своите недостатъци и изисква настройка на определен период от време, но теоретично е много по-ефективна от карбуратора.

Рециркулиране на изпускателните газове (EGR)

EGR клапанът е една от първите системи за намаляване на вредните емисии при бензиновите двигатели, подобрявайки тяхната ефективност. Методът включва връщането на част от изпускателните газове за повторно изгаряне в горивната камера, с което се намалява температурата й. Използващите EGR клапани двигатели достигат работна температура по-бързо, което намалява разхода и повишава ефективността. По-ниската температура в камерата пък предотвратява детонациите и запалването, преди буталото да е достигнало горна мъртва точка, а така успява да накара двигателя да работи равномерно.

Така или иначе, първите EGR системи са доста несъвършени и вредят на работата на двигателя. Производителите осъзнават проблема и започват да изолират клапаните по време на стартиране на двигателя, при празен ход и под голям товар. Повечето модерни коли продължават да използват EGR клапани, а много двигатели успяват да се справят с изискванията за екология и без тях.

Системи за електронно запалване

Една от най-важните стъпки в света на бензиновите двигатели е внедряването на системите за електронно запалване. Те използват набор от сензори, които заместват механично управляваните дистрибуторни механизми, за да запалят горивната смес във всеки цилиндър в най-подходящия момент.

Първоначално електронното запалване е използвано в коли с карбураторни двигатели, а впоследствие се превръща в норма за всички бензинови мотори. Настройката на дистрибуторната капачка е цяло приключение, което в комбинация с настройките на карбуратора превръща работата на механиците по онова време в нещо средно между магия и късмет. Неправилната настройка на единия или и на двата компонента води до повишаване на разхода на гориво и влошаване на представянето на колата.

Бедна смес (Lean Burn)

След създаването на двигателя с вътрешно горене, постепенно става ясно какво трябва да бъде оптималното съотношение на горивото и въздуха. През 70-те обаче, много компании започват да правят опити с много по-бедни смеси – по-малко бензин, повече въздух.

Технологията е използвана в някои от моделите на Chrysler, Honda, Nissan, Mitsubishi и Toyota, а идеята е да се намалят загубите от всмукателния тракт, причинени от дизайна на дроселовата клапа, както и да се подобри разхода на гориво.
Lean-burn системите никога не се превръщат в норма и изчезват през 90-те.

Електронна горивна инжекция (EFI)

Следващата голяма иновация при бензиновите, а по-късно и при дизеловите двигатели, е електронната инжекция. Тя е по-прецизна от механичния си предшественик и позволява по-добър контрол върху количеството гориво, впръсквано в горивната камера. Първоначално системата използва стандартни дюзи за впръскване на бензина, а впоследствие технологията еволюира в многоточково впръскване. Впоследствие навлизат системите за директно впръскване, които работят под още по-голямо налягане.

Новите горивни системи изискват наличието на т.нар. ламбда сонда. Този сензор е монтиран някъде на изпускателната система и измерва наличието на кислород в изпускателните газове. Ако ламбда сондата измери стойности, които се различават от тези, зададени от производителя, тя изпраща сигнал до управляващата двигателя електроника, която от своя страна коригира гориво-въздушната смес.

Директно впръскване

Въпреки че системата е измислена много отдавна, тя навлезе в масовото автомобилостроене едва в последните няколко години. За разлика от многоточковата инжекция, системата за директно впръскване впръсква горивото под по-високо налягане директно в горивната камера. Благодарение на това, инжекторите могат да впръскват по-малко количество гориво, без това да се отрази негативно на представянето на двигателя.

Други работни цикли

Най-популярен е класическия цикъл на Ото, който се използва от почти всички бензинови двигатели днес. През 1882-а Джеймс Аткинсън измисля друг цикъл, който и до днес носи неговото име. Модерните хибриди използват именно този цикъл, тъй като той е по-ефективен, макар че мощността при него е по-ниска. Характерното за него е, че всички четири такта на цикъла на Ото (всмукване, сгъстяване, разширяване, изпускане) се извършват в един оборот на коляновия вал.

Какво да очакваме?

Бъдещето на бензиновите двигатели е свързано с подобрени свещи, като например лазерните компоненти, които в момента разработва Mazda за новия си роторен двигател. Дроселите могат напълно да изчезнат, тъй като генерират загуби. Подобно решение вече е взето от BMW в техните Valvetronic двигатели. Със сигурност ще има подобрения и в областта на работния цикъл, които ще доведат до намаляване на разхода и нивата на вредни емисии.