Силуэты

Зачем в ГТ500 понадобилась форкамера

В прошлый раз мы считали, сколько Джоулей можно протолкнуть сквозь топливный ограничитель. Теперь мы сами полезем туда, где топливо пытаются сжечь так быстро, чтобы оно не успело испортить инженеру настроение.

Во второй части летней технической лекции «Нисмо» (NISMO) Синъити Кига (Shinichi Kiga) добрался до двигателя ГТ500 и технологии, название которой звучит недостаточно эффектно для того, что же происходит внутри цилиндра: форкамерное зажигание - pre-chamber ignition, PCI.

В «Отоспоцу» (японский Auto Sport) суть сформулировали предельно четко: при ограниченном расходе топлива задача разработчика - получить из разрешённого количества топлива как можно больше мощности и поднять тепловую эффективность двигателя.

На языке физики это можно записать так:

ηₑ = Pₑ / (ṁf · Hᵤ)

где:

ηₑ - эффективный КПД двигателя;

Pₑ - полезная мощность на коленчатом валу;

ṁf - массовый расход топлива;

Hᵤ - низшая теплота сгорания топлива.

И если регламент уже взял ṁf за горло, старый добрый способ «хотим больше мощности - нальём больше бензина» закрыт. Значит, остаётся увеличивать ηₑ.

Проще говоря: заставить большую долю химической энергии топлива толкать поршень, а меньшую - греть головку блока, выпуск, охлаждающую жидкость и вообще окружающую Японию. Так на сцену выходит (а точнее, возвращается в совершенно новом обличии) маленькая «предкамера» сгорания.

Откуда возгореться не пламени, а искре?

Начнём с обычного бензинового двигателя. На электродах свечи из-за огромного напряжения создается искра. В небольшом объёме около нее появляется начальное ядро пламени. Затем фронт пламени распространяется по смеси.

Очень грубо время горения можно представить:

tᵦ ≈ L / Sₜ

где:

L - характерное расстояние, которое должен пройти фронт пламени;

Sₜ - эффективная скорость турбулентного горения.

Разумеется, реальная камера сгорания вмещает в себя несколько более сложные процессы: поршень движется, давление и температура меняются, смесь завихряется, пламя растягивается, взаимодействует со стенками и развивается в трёх измерениях.

Но для понимания проблемы формулы достаточно. Есть расстояние, есть скорость распространения пламени. Следовательно, есть время. А времени у гоночного двигателя отвратительно мало.

При частоте вращения n длительность одного градуса поворота коленчатого вала составляет:

t₁° = 60 / (360 · n)

Чем выше обороты, тем меньше реального времени содержится внутри одного градуса поворота коленвала. И на любой скорости вращения поршню совершенно всё равно, успели вы сжечь смесь или ещё только собираетесь - он уже пошёл вниз.

Не пламя, а давление

Это вообще главное, что полезно помнить при разговоре о двигателе. Задача конструктора состоит не в том, чтобы сжечь бензин. Сжечь бензин можно и в ведре. Задача - получить нужное давление в нужный момент положения поршня.

Работа газа:

W = ∫ p dV

То есть результат зависит не только от того, какое давление удалось создать, но и от того, при каком объёме цилиндра это давление действует на поршень.

Слишком раннее горение - и давление начинает расти, пока поршень ещё подходит к верхней мёртвой точке. Часть работы двигателя превращается в борьбу газа с движущимся вверх поршнем. И поршень удивится, и шатунам будет не особо здорово (кто на теплотехнике учился, помните эти грибы давлений?).

Слишком позднее - и великолепное давление возникает тогда, когда поршень уже убежал вниз, объём цилиндра увеличился и воспользоваться этим давлением полностью невозможно. Все наше великолепие, в прямом смысле, со свистом вылетает в трубу.

Поэтому инженеру нужен не просто большой максимум давления. Ему нужна правильно расположенная относительно угла коленвала диаграмма давления. А значит, скорость горения становится инструментом настройки двигателя почти в буквальном смысле.

Распределение усилий

Теперь вместо того, чтобы поджигать огромный основной объём одной маленькой искрой, окружим свечу небольшой отдельной камерой. Форкамерой («предкамерой»). Она сообщается с главным объёмом цилиндра через несколько маленьких отверстий - сопел или жиклёров.

Сначала смесь воспламеняется внутри форкамеры. Давление там быстро растёт - и через отверстия наружу вырываются высокоскоростные струи горячих продуктов горения и активных химических частиц.

Основной заряд получает уже не один крошечный очаг воспламенения около свечи. В него буквально вонзаются несколько огненных струй.

Нам важно, что характерное расстояние, которое должно пройти пламя в основной камере, резко сокращается. А мы только что договорились:

tᵦ ≈ L / Sₜ

Уменьшили эффективное L - уменьшили длительность горения.

Вот, собственно, весь винегрет. Дальше начинаются последствия.

Быстрее сгорело - меньше времени на неприятности

Один из главных врагов бензинового двигателя - детонация. Нормальное горение идёт от организованного фронта пламени. Но пока этот фронт добирается до последних участков смеси, так называемая «конечная смесь» уже находится под высоким давлением и температурой. Если оставить её в таком состоянии достаточно долго, она может самовоспламениться раньше прихода нормального фронта. Получаем крайне быстрый местный выброс энергии, ударные волны и характерный стук.

Вероятность такого сценария зависит не только от температуры и давления. Она зависит ещё и от времени. Именно поэтому ускорение нормального горения настолько ценно. Чем быстрее основной заряд нормально выгорает, тем меньше времени конечная смесь проводит в состоянии с высокой температурой и давлением в ожидании неприятностей.

Следовательно, увеличивается детонационный запас. Естественно, в гонках никто его на черный день не оставляет (ну, строго говоря, могут, если это ГТ500, где доработки двигателей нынче идут год от года, и изначально в конструкцию специально вносятся повышенные пределы прочности, чтобы потом можно было «срезать» по чуть-чуть то тут, то там в поисках «лошадей»).

Запас инженер может обменять, например, на более выгодный угол опережения зажигания. Или на более высокую степень сжатия, на более тяжёлые условия по наддуву, на обедненную смесь. Да на что захочет – на то и обменяет. Главное, был бы запас.

Но физическая валюта здесь одна: быстрое контролируемое горение расширяет допустимое рабочее окно.

У «Хонды» (Honda), которая раскрыла историю своего двигателя ГТ500 гораздо подробнее, внедрение PCI во второй половине сезона 2016 года оказалось крупнейшим отдельным вкладом в повышение тепловой эффективности двигателя HR-414E/HR-417E за весь период разработки 2014-2019 годов. После этого технология продолжала развиваться вместе с увеличением степени сжатия, впуском и выпуском.

То есть форкамера здесь совсем не модная игрушка даже в ее нынешнем виде. Японцы уже довольно давно выжимают из неё настоящие лошадиные силы. А если вспомнить, что подобная вещь применялась еще в 50х на грузовиках, то отпадает всяческое желание заводить шарманку про то, как инновации пробивают себе путь с вершин автоспорта на конвейер.

Причем тут бедная смесь?

Для сгорания топлива нужен кислород. Но воздух (как смесь газов) в цилиндре нужен не только как поставщик кислорода: основная масса рабочего тела вообще приходится именно на воздух (кислорода-то в нем процентов 22-23, а все остальное, - азот и небольшая добавка всякой всячины).

Если топлива относительно немного, смесь становится беднее. Уж простите за каламбур, но беда в том, что обычная искра всё хуже воспламеняет очень бедный заряд. Ядро пламени получается слабее, цикл становится нестабильным, возрастает вероятность неполного или вообще пропущенного сгорания. Привет, детонация!

Если бы повышать эффективность можно было бы так легко, переводя все и вся на обедненную смесь! Сколько на заправке сэкономить можно было бы! Жаль, но нетренированный двигатель на это скажет:

- Отличная идея. Я теперь иногда вообще не буду зажигаться.

Форкамера помогает именно здесь. Вместо небольшой искры в основной камере мы получаем мощные горячие струи с большой площадью взаимодействия с зарядом. А малый объем форкамеры помогает избежать проблемы с зажиганием: смесь там получается богаче и легче воспламеняется.

Форкамере тоже нужен бензин

Форкамеры бывают устроены по-разному. В активной системе в маленькую камеру можно отдельно подавать топливо. Тогда около свечи создаётся смесь, которую очень легко поджечь, даже если основной заряд заметно беднее. В пассивной форкамере отдельной форсунки нет: камера заполняется смесью из основного цилиндра через собственные отверстия.

Кига (а это на основе его лекции из «Отоспоцу» мы тут растекаемся мыслью) отдельно отмечал существование обоих подходов при объяснении технологии. Но из опубликованных материалов нельзя делать вывод, что он тем самым раскрыл точную современную конфигурацию двигателя «Ниссана»: детали нынешнего ГТ500 вполне естественно остаются областью, из которой команды не раздают чертежи направо и налево по первому требованию.

А различие фундаментальное. Активная форкамера даёт больше свободы в формировании состава смеси около свечи. Пассивная проще и не требует отдельной системы подачи топлива в этот маленький объём.

Правда, в довесок к радостям инженер получает ещё несколько переменных, чтобы жизнь не казалась слишком простой.

Теперь посчитайте дырдочки

У форкамеры есть: объём; число отверстий; диаметр отверстий; угол каждого сопла; отношение площади отверстий к объёму камеры; положение относительно основной камеры; температурный режим стенок. И каждый параметр куда-нибудь да влезет.

Слишком маленькая суммарная площадь отверстий? Можно получить высокую скорость струй, но ухудшить газообмен форкамеры с основной камерой и увеличить гидравлические потери.

Слишком большая? Струи потеряют часть своей проникающей способности, а форкамера начнёт вести себя уже не совсем так, как хотелось.

Струя слишком мощная? Она может долететь до стенки камеры и начать активно греть то, что вообще-то хотелось греть поменьше.

Слишком слабая? Не обеспечит нужного быстрого воспламенения дальних зон.

Поэтому «просверлить несколько дырок около свечи» - решение приблизительно того же инженерного уровня, что «поставить крыло побольше».

А тепло-то куда делось?

Есть ещё одна неприятная физическая подробность. Чем больше горячий газ соприкасается со стенками, тем больше тепла потенциально можно потерять через систему охлаждения.

Упрощённо тепловой поток к стенке можно представить:

Q̇ = h · A · (T_g - T_w)

где:

h - коэффициент теплоотдачи;

A - площадь поверхности;

T_g - температура газа;

T_w - температура стенки.

Форкамера добавляет поверхность, отверстия и участки с очень быстрым горячим потоком. То есть устройство, которое мы поставили ради повышения тепловой эффективности, одновременно создаёт дополнительные места, где эту эффективность можно потерять.

Прекрасно! Добро пожаловать в двигатель внутреннего сгорания.

Задача снова не сводится к максимальной скорости горения. Нужно получить достаточно быстрые и правильно направленные струи, обеспечить устойчивое воспламенение, не создать чрезмерных тепловых потерь, удержать температуру деталей, избежать нежелательного самовоспламенения в самой форкамере (да, мы могём и так!) и заставить все это работать по ходу не одного фееричного круг в квалификации, а весь положенный ресурс двигателя, который нынче в ГТ500 исчисляется целым сезоном.

Быстрее - не обязательно лучше

Представим, что мы каким-то чудом научились сжигать весь заряд практически мгновенно около верхней мёртвой точки. Звучит прекрасно в прямом и переносном смысле.

На деле мы получим очень быстрый рост давления, а скорость роста давления - это уже нагрузка на весь кривошипно-шатунный механизм - и далее до конечной (в головку блока, а через коленвал аж в трансмиссию).

Поэтому идеальная форма сгорания - не взрыв. Требуется быстрое, но управляемое выделение теплоты. То есть приходится оптимизировать уже не только максимальное давление p_max, но и:

dp/dα

- скорость изменения давления по углу поворота коленчатого вала.

Сделали процесс слишком медленным - теряем КПД. Сделали слишком быстрым - начинаем расплачиваться механическими и акустическими нагрузками, а в некоторых режимах и ухудшением самого процесса сгорания.

Опять никакого бесплатного обеда.

За кем гонимся-то?

Теперь вернёмся к самому началу. Регламент ограничивает поток топлива.

Следовательно:

ṁf ограничено.

Химическая мощность, поступающая с топливом:

P_chem = ṁf · Hᵤ

тоже оказывается фактически ограниченной.

А полезная мощность:

Pₑ = ηₑ · ṁf · Hᵤ

Поэтому при фиксированных ṁf и Hᵤ главный оставшийся множитель: ηₑ.

Вот почему разговор о форкамере в ГТ500 – это не просто перечисление явных усложнений конструкции головки блока. Это рассказ о том, как инженеры пытаются обойти ограничение мощности, не нарушая ограничения по топливу.

Бензина больше прогнать через цикл нельзя. Значит, нужно: быстрее его сжечь; точнее расположить процесс сгорания относительно положения поршня; уменьшить склонность к детонации; расширить область устойчивого горения; уменьшить долю энергии, ушедшей туда, где она не совершает полезную работу.

Для повышения эффективности японским инженерам пришлось построить внутри камеры сгорания ещё одну, с собственной газодинамикой. Нам ограничили количество доступного топлива, а в ответ мы начали проектировать геометрию распространения пламени, натыкаясь на всевозможные подводные камни и успешно преодолевая трудности. Возможно, даже с пользой для будущих конвейерных собратьев этих двигателей.

• < Назад
• Вперёд >