Двотактний двигун

Двигуни Evinrude з технологією E-TEC . motorka.org

02.10.2015

Двигуни Evinrude з технологією E-TEC

Ось уже три роки ми отримуємо численні питання щодо нової розробки, яку корпорація BRP назвала революційною. Мова йде про двигуни Evinrude, виконаних за технологією E-TEC. Сподіваємося, що стаття інженера сервісного центру Бріг ЛТД Юрія Артамонова відповість на більшість з цих питань і допоможе зрозуміти переваги цієї нової технології.

1.Трохи історії. Історія створення човнових двигунів Johnson і Evinrude – це, по суті, і є історія підвісних моторів взагалі. У 1903 році брати Джонсон з Індіани виготовили свій перший мотор, а Оле Эвинруд сконструював свій зразок двигуна в 1908 році. До 1936 році, після злиття фірм Johnson Motors і відбулося остаточне формування торговельних марок Johnson і Evinrude.

В цій славній історії були і злети, і падіння, і технологічні рішення, що випередили час, і випуск одного типу двигуна протягом більше двадцяти років. Багато сучасні технологічні прориви деяких підвісних двигунів були вперше випробувані багато десятиліть тому, але через недосконалість технологій і матеріалів тільки в наш час набули чинності.

протягом більше вісімдесяти років з появи першого підвісного човнового мотора, їх розробники були стурбовані багатьма параметрами їхніх дітищ – це і мала вага і легкість запуску, і максимальна потужність, але ось дещо про що вони забули. А саме – рівень токсичності викидів.

І ось, Штат Каліфорнія, США став відомим усьому світу завдяки тому, що першим ввів суворий закон, що обмежує токсичність вихлопних газів для автомобілів, що працюють на бензині. Для того, щоб зменшити забруднення повітря вихлопними газами, для всіх автомобілів, що працюють на бензині, в Каліфорнії у 1988 р. була введена норма «California Air Resources Board» (CARB), яка представляла собою нормовані вимоги щодо обмеження емісії і її токсичності.

Звісно, ці норми також поширювалися і на човнові мотори. Перед виробниками і розробниками човнових моторів у всьому світі стало питання про зменшення токсичності вихлопу їхніх дітищ.

У лютому 2003 року корпорація Bombardier Recreational Products » (BRP) анонсувала своє дітище – технологію Evinrude® E-TECTM, яка відкрила нову епоху в індустрії підвісних човнових моторів. Ця технологія спочатку була розроблена для відповідності нормі California Air Resources Board (CARB) 3-зірки. У це ж році на бот-шоу в Майямі, технологія Evinrude® E-TEC TM була номінована на звання Нововведення року в категорії човнових двигунів.

2. Трохи теорії.

Чому ж так відбувається – вісімдесят років виробники всіх країн випускали двигуни, які забруднюють навколишнє середовище, і як наслідок, споживають багато палива?

Відповідь проста. Вся справа в тому, що човновим двигунів спочатку висувалися вимоги бути дуже легкими і мати дуже хорошу динаміку розгону. Під ці вимоги як не можна краще підходять двотактні мотори. Вони легкі, так як відсутня безліч вузлів, властивих чотиритактним моторів (такі як распредвал, картер з моторним маслом, ланцюгу або ремені распредвала і так далі). Так як кожен хід поршня у двотактного мотора робочий, то динаміка розгону у двотактних моторів найкраща (на відміну від чотиритактних моторів, у яких поршень передає коленвалу енергію тільки через раз).

Двигуни Evinrude з технологією E-TEC . motorka.org
Двигуни Evinrude з технологією E-TEC . motorka.org
Двигуни Evinrude з технологією E-TEC . motorka.org

Якщо пильно подивитися на схему роботи двотактного двигуна (Рис 1 — Порівняння карбюратора і прямого уприскування), то можна побачити певний компроміс, з яким всі виробники двотактних моторів б’ються багато десятків років. Компроміс цей полягає в наступному. Уявімо собі камеру згоряння двотактного двигуна в момент запалювання стислій поршнем паливної суміші. Ось, поршень пішов вниз, штовхатимуть згорілої паливною сумішшю. Пройшовши повз випускних вікон, поршень відкриває шлях для виходу результату горіння паливної суміші – тепер це вихлопні гази. Пройшовши ще нижче, поршень відкриває впускні вікна, і дає можливість паливно-повітряної суміші перейти з порожнини коленвала в камеру згоряння. Отже, компроміс – якщо геометрію впускних і випускних вікон налаштувати так, щоб в камеру згоряння подавалося велика кількість свіжої паливно-повітряної суміші, то воно заповнить камеру згоряння, витіснить залишилися вихлопні гази в випускний колектор, і відповідно, частково «полетить» у вихлопну трубу слідом за вихлопними газами. В цьому випадку розробник отримає хорошу питому потужність, високу токсичність, і як наслідок – висока витрата палива. В іншому випадку, якщо геометрію впускних і випускних вікон налаштувати так, щоб в камеру згоряння подавалося меншу кількість свіжої паливно-повітряної суміші, то воно частково заповнить камеру згоряння, не витіснить повністю вихлопні гази в випускний колектор, але при зворотному русі поршня може в невеликій кількості «полетіти» у вихлопну трубу. У цьому випадку, розробник отримає погану питому потужність, але кращу економічність і менші шкідливі викиди в атмосферу. У будь-якому випадку, токсичність вихлопу у двотактних моторів при використанні карбюратора буде вище, ніж у чотиритактного двигуна такої ж потужності, і в будь-якому випадку чотиритактний двигун такої ж потужності програє двотактним карбюраторним по вазі і динаміці розгону.

В кінці 90-х років, виробники підвісних човнових моторів стали прогнозувати своє невеселе майбутнє і будувати плани. Одні з них повністю відмовилися від двотактних моторів, інші стали розробляти і впроваджувати передові і високоінтелектуальні розробки в двотактні мотори.

Однією з перших такі розробки впровадила в свої мотори корпорація OMC в 1997 році, випустивши двигун, побудований з використанням технології FICHT. У цій технології ключовим фактором було використання спеціальних інжекторів, які дозволяли впорскувати паливо в камеру згоряння. Це революційне рішення поряд з використанням сучасного бортового комп’ютера дозволяє точно дозувати паливо в той момент, коли поршень при зворотному русі перекриє всі вікна (Рис 2 — Впорскування палива після закриття вікон поршнем). Плюс в порожнину коленвала розпорошується чисте масло, яке не змивається паливом – тепер його там немає! Паливо не змиває мастило, що дозволяє зменшити його кількість. І все!

Вже завдяки цьому рішенню розробники отримали двотактний двигун з його досконалої динамікою розгону, прекрасною кривий потужності і малою вагою, але при цьому має рівні викиду і економічності, як у чотиритактного карбюраторного двигуна. Багато конкуренти повторили цей хід, і втілили таке рішення у своїх системах, таких як Orbital, TLDI та інших. Але корпорація OMC пішла далі. Їх інженери зуміли реалізувати так звану технологію пошарового згоряння.

Що ж це за технологія? Спробую пояснити. Практично половину всього часу мотор на човні використовується на потужності менше половини нормативної. Якщо врахувати, що в одиниці об’єму палива міститься однакова енергія, яку мотор отримає і виробить для руху човна, то виходить, що чим менше обертів двигуна, тим пропорційно менше повинен бути витрата палива. На практиці це не так. Вся біда в тому, що якщо просто зменшити кількість палива, то в камері згоряння виявиться бідна суміш, яку важко запалити, а вже якщо вона спалахне, то горить з вибуховим характером, що руйнує поршень. А для двотактних моторів постає ще одна проблема з використанням бідної суміші – у них поршень охолоджується за рахунок випаровування на днище поршня паливної суміші. Якщо суміш буде бідна, піде прогар поршня в центрі днища і задираки на стінках циліндра. От і виходить на практиці, що при значному зниженні потужності двигуна витрата зменшується не пропорційно. Все змінила технологію пошарового згоряння (Рис 3 — Пошарове згоряння). Ця технологія базується на тому, що інжектор і програмне забезпечення бортового комп’ютера мотора можуть дати настільки короткий імпульс в ретельно розрахований час, що утворюється невелика хмарина палива, яке розбивається об спеціально спроектовану виїмку на днище поршня, і досягає свічки. При цьому поршень остудилося, а навколо свічки знаходиться невелика хмарина паливно-повітряної суміші, яка локально має співвідношення паливо – повітря як у нормальної паливно-повітряної суміші. А навколо цієї хмари в іншій камері згоряння – повітря. Свічка легко підпалює щодо цю багату суміш, це хмарка згорає без детонації і розподіляє тепло після горіння по всьому залишився повітря в камері згоряння.

Нагріте повітря здійснює роботу по переміщенню поршня. От і все! Завдяки цій технології всі інші двигуни (навіть чотиритактні з уприскуванням палива, яким такі технології навіть не снилися!) за нормами вихлопу та витрати палива залишаються далеко позаду! (Рис 4-вихлопні гази) І це при тій же динаміці розгону і малій вазі!

Двигуни Evinrude з технологією E-TEC . motorka.org

Але обкатати технологію FICHT корпорація OMC не встигла. Права на випуск двигунів Johnson і Evinrude корпорація викупила BRP, яка з самого початку зіткнулася з проблемами росту технології FICHT. Це та основа технології – старі карбюраторні двигуни, і недосконала конструкція інжекторів (особливостей яких я торкнуся пізніше), і недосконалість бортового комп’ютера.

Замість поліпшення технології FICHT фахівці з BRP все кардинально змінили. Дослідивши ринок, було прийнято рішення об’єднати в своїй новій розробці найкраще з стандартів чотиритактних моторів з продуктивністю і простотою обслуговування двухтактникі, щоб забезпечити не тільки простий і легкий запуск як в холодному, так і в гарячому стані, але і малошумність, і рівну роботу на малих швидкостях, а також заощадити час і гроші користувача на технічному обслуговуванні мотора. Були побудовані з нуля нові виробничі потужності, відібрані зі старих виробництв кращі фахівці, які з чистого аркуша паперу побудували нову технологію і новий мотор — Evinrude® E-TEC TM. який увібрав в себе всі достоїнства технології FICHT корпорації OMC. При цьому були враховані досвід, напрацювання та побажання багатьох поколінь човнових моторів.

3. В чому ж сіль технології Evinrude® E-TEC TM ?

Двигуни Evinrude з технологією E-TEC . motorka.org
Почну з найголовнішого ланки, що дозволяє використовувати всі переваги технології пошарового згоряння і уприскування безпосередньо в камеру згоряння – це інжектор. Інжектор технології FICHT вирішував багато завдань для досягнення дуже гідних показників економічності і низькою шкідливості вихлопу, але його конструкція не дозволяла зробити крок у майбутнє. Його основа така ж, як і у більшості інжекторів, застосовуваних у світі на двигунах з уприскуванням палива, будь то чотиритактний мотор, або двотактний. Це жорстко закріплена котушка, що створює магнітне поле, і рухливий магнітний плунжер, який і створював необхідний тиск для розпилення палива. Після розпилювання палива, плунжер назад повертається пружиною (Рис 5 — Інжектор Ficht, DI.). На відміну від чотиритактних моторів, у яких інжектор до моменту відкриття впускного клапана може зробити кілька распылов, щоб забезпечити необхідну кількість палива для роботи даного циліндра, двотактний інжектор прямого вприскування палива повинен розпилити паливо за один раз. Звідси виходить, що інжектор двотактного двигуна з безпосереднім уприскуванням палива повинен мати істотні розміри, що означає масивний плунжер і могутню поворотну пружину. Інжектор технології FICHT саме такий і був.

Величезний мінус даного інжектора в моментах інерції важкого плунжера, і в лінійною характеристикою пружини. На малих обертах, коли інжектор спрацьовує відносно мала кількість разів в секунду, все це працює. Але ось настав час підвищити потужність – та електроніка бортового комп’ютера змушена величезним імпульсом напруги розганяти важкий плунжер все швидше і швидше, а поворотна пружина має все ту ж швидкість повернення плунжера у вихідне положення (її зусилля стиснення не змінюється від швидкості роботи інжектора). Плюс, при поверненні плунжера в початкове положення відбувається його удар об обмежувач і, як правило, серія коливальних рухів. І ось, що ми бачимо. Електроніка і рада б розрахувати і забезпечити потрібну кількість палива для даних умов експлуатації мотора, щоб забезпечити максимальний крутний момент при низькому споживанні палива, а інжектор забезпечити потрібну подачу палива не може. Плюс, електроніка для керування таким інжектором повинна мати потужні ключі і хороший генератор.

Двигуни Evinrude з технологією E-TEC . motorka.org
Все змінила технологія Evinrude® E-TEC. От уявіть собі динамік гарної акустичної системи – магніт нерухомий, а легка катушечка з легким дифузором здійснює досить потужні коливання, і робить це точно – інакше звук був би брудним. Інжектор, побудований за технологією Evinrude® E-TEC, ось так і влаштований (Рис 6 — Інжектор E-TEC). Важкий і потужний магніт, закріплений нерухомо, а легка котушка на каркасі ходить в зазорі магніту. Котушка пов’язана з легким плунжером. Масивної поворотної пружини немає. Як це все працює? А ось як – одним коротким імпульсом бортовий комп’ютер двигуна приводить в рух котушку з плунжером, відбувається розпил палива. Другим коротким імпульсом, але зворотної полярності бортовий комп’ютер гальмує котушку в потрібний момент часу, і повертає її назад. Третім коротким імпульсом зворотної полярності бортовий комп’ютер стабілізує котушку в початковому положенні, щоб уникнути її коливальних рухів. От і все! Що електроніка вирахувала виходячи з параметрів навколишнього середовища і стану двигуна, то інжектор нової технології і відміряв і розпилив.

Для управління інжектором за технологією Evinrude® E-TEC вже не потрібен потужний генератор і потужні ключі в бортовому комп’ютері. Це дозволило корпорації Bombardier побудувати перший у світі підвісний човновий мотор з безпосереднім уприскуванням, з румпельное управлінням, з ручним стартером і без зовнішнього живлення від акумулятора.

Завдяки підвищеної точності дозування палива в двигунах, побудованих за технологією Evinrude® E-TEC кількість шкідливих викидів рекордно мало. І відповідно, істотно зменшений витрата палива.

4. За що заплатить покупець двигуна, побудованого за технологією Evinrude® E-TEC?

Корпорація Bombardier Recreational Products при розробці двигуна, побудованого за технологією Evinrude® E-TEC, прийняла рішення не розмінюватися на дрібниці. Давайте докладніше розглянемо всі ті нововведення, які пропонуються покупцеві даного двигуна.

Поршні в даному типі двигуна виготовлені зі сплаву, запатентованого NASA, що дозволило зменшити теплові розширення поршнів і поліпшити їх міцність. Гільзи циліндрів оброблені нітридом бору, що поряд з поліпшеними поршнями дозволяє використовувати двигуна на максимальній потужності практично без обкатки двигуна. Яких-небудь обмежень потужності на обкатці двигун не має.

Давайте розглянемо саму молодшу на сьогоднішній день модель двигуна з системою Evinrude® E-TEC – це 40 к. с. Генератор цього двигуна забезпечує зарядку акумулятора від 3 до 5 ампер вже на обертах холостого ходу. На повних обертах в бортову мережу човни даний двигун здатний віддати 25 Ампер, що достатньо для живлення приладів самої «навороченной» човни! При цьому даний двигун став першим у світі двотактним підвісним човновим двигуном з прямим уприскуванням палива з румпельное управлінням, якому взагалі не потрібен акумулятор! Все це завдяки двом нововведень. Перше – генератор даної моделі двигуна розрахований на видачу 55 вольт, які вже потім за допомогою ШІМ – модуляції перетворюються в 12 вольт для живлення інших споживачів. Така різниця в напрузі дає можливість живити основних споживачів енергії в двигуні при однієї третини оберту маховика. Зауважте — дуже важливий параметр для румпельного мотора, який заводиться ручним стартером. Друге нововведення – наявність в генераторі трьох фаз, які через випрямлячі включаються електронним блоком послідовно при низьких оборотах, і паралельно при оборотах більше 1800 об/хв, що дає практично рівну криву вироблення електроенергії генератором.

Двигуни Evinrude з технологією E-TEC . motorka.org
Двигуни Evinrude з технологією E-TEC . motorka.org
У всіх двигунах розглянутого сімейства Evinrude® E-TEC прийняті серйозні заходи по зниженню шуму (Рис. 7 і 8 — Боротьба з шумом). Весь внутрішній простір нижніх і верхній кришок двигуна заповнено спеціальною шумопоглинаючою піною, на впускному і випускному колекторах встановлюються резонатори особливої форми. Навіть дросельні заслінки на холостому ходу закриваються повністю, щоб досягти мінімального рівня шуму. Треба віддати належне фахівцям з BRP – вони реально суттєво знизили рівень шуму від двотактного двигуна. Тепер бажає придбати тихий мотор для риболовлі, уже не пов’язаний вибором тільки чотиритактного двигуна.

Окремо хочеться торкнутися такого важливого вузла даного сімейства Evinrude® E-TEC, як бортовий комп’ютер або електронний блок. Фахівці корпорації BRP при розробці цього блоку подбали про наочної індикації стану двигуна за допомогою чотирьох світлодіодів, що допоможе користувачеві даного мотора без будь – яких діагностичних засобів перевірити правильність роботи мотора. Також одним з важливих нововведень даного бортового комп’ютера є здатність автоматично (за бажанням власника) провести консервацію двигуна. Ну і, звичайно ж, бортовий комп’ютер зберігає в собі всю інформацію про роботу двигуна – і температурні режими, і обороти, і можливі відмови будь-яких датчиків, що значно полегшує обслуговування двигуна або пошук можливих несправностей. Плюс до всього, цей бортовий комп’ютер автоматично калібрує всі датчики, що дозволяє прибрати всілякі регулювання узгодження і так далі. Природно, що при виникненні нештатної ситуації, бортовий комп’ютер даного типу двигуна не дасть двигуну загинути – він вчасно сповістить користувача, скине оберти або заглушить двигун, але при цьому дасть власнику пройти деяку відстань на оборотах, близьких до холостим, щоб дістатися до берега.

Один з найважливіших плюсів даного типу двигунів Evinrude® E-TEC є термін до 300 годин (або 3 роки, залежно від того, що настане раніше) до першого технічного обслуговування. Звичайно ж, з нашим паливом в Україні можуть бути деякі відступи – можливо, власнику, що використовує неякісний бензин, свічки міняти доведеться частіше.

5. Підсумки трьох років експлуатації двигунів сімейства Evinrude® E-TEC

Тепер, коли продано велику кількість таких двигунів, можна підвести підсумки трирічного спостереження за ними та їх обслуговування. Як представник сервісного центру фірми «Бріг ЛТД» можу з упевненістю сказати – двигун заслуговує пильної уваги тих, хто хоче придбати надійний та сучасний підвісний човновий двигун. Статистика поломок даного сімейства двигунів показує досить низький відсоток відмов. За своїми тактико-технічними характеристиками двигун не викликав незадоволення ні в одного з власників таких двигунів.

Можна з упевненістю сказати, що технологія, використовувана в цих двигунах з початку їх виробництва до сьогоднішніх днів на місці не стоїть.

Фахівці корпорації BRP постійно щось вдосконалять в конструкції двигунів, і зупинятися, мабуть, не збираються. Недоліки, помічені в перших партіях двигунів, буквально з наступною партією були виправлені.

Юрій Артамонов, інженер сервісного центру Бріг ЛТД .

Короткий опис статті: двотактний двигун Про двигуни Evinrude з технологією E-TEC Evinrude E-TEC

Джерело: Двигуни Evinrude з технологією E-TEC » motorka.org

Також ви можете прочитати