Китайський автомобільний гігант Geely оголосив про створення серійного бензинового двигуна з рекордним термічним ККД на рівні 48,41%. Ми стоїмо на порозі нової ери інженерії чи це лише хитрий маркетинговий хід?

Автомобільний світ привчив нас до того, що лідерами у сфері ефективності двигунів внутрішнього згоряння є японські автоконцерни. Toyota зі своїми двигунами Dynamic Force досягає теплового ККД близько 41%, а Nissan у системах e-Power декларує 42%. Тим часом останній 1,5-літровий двигун I-HEV з Китаю перевершує ці результати, випереджаючи Toyota на неймовірні 7,4 відсоткові пункти. У галузі, де покращення ефективності на кожен наступний відсотковий пункт вище 40% межує з дивом і вимагає титанічних інженерних зусиль, такий стрибок здається практично нереальним. Щоб зрозуміти, чи маємо ми справу зі справжньою революцією, слід придивитися до технологічних деталей цієї конструкції.

Анатомія екстремального зменшення діаметра циліндра
Ключем до розуміння конструктивної бази нового двигуна Geely є його незвична геометрія. Хоча виробник прямо не надав офіційних розмірів, виходячи з робочого об'єму, кількості циліндрів та співвідношення ходу поршня до діаметра циліндра (яка становить 1,39:1) можна точно вирахувати, що діаметр дорівнює 70 мм, а хід поршня — аж 97,4 мм. Це означає, що перед нами один із найбільш «довгохідних» (undersquare) бензинових двигунів в історії масового автомобілебудування. Таке рішення має дуже сильне обґрунтування і безпосередньо впливає на зниження втрат енергії та зменшення викидів вихлопних газів.

Малий діаметр циліндра радикально зменшує окружність поршневих кілець, що позитивно позначається на герметичності та мінімізує потрапляння газів у картер, тим самим покращуючи загальний екологічний профіль. Крім того, довгий шлях, який поршень має пройти вниз, дозволяє значно повніше рекуперувати енергію від вибуху паливо-повітряної суміші. До того як випускні клапани відкриються, гази, що розширюються, виконують максимально можливу роботу. Це дозволяє вичавити з кожної краплі бензину стільки енергії, скільки взагалі можливо.

Проте така конструкція тягне за собою серйозні компроміси. Оскільки поршень долає велику відстань, на вищих обертах його лінійна швидкість зростає до небезпечних значень, загрожуючи механічним руйнуванням двигуна. З цієї причини агрегат не здатний працювати на високих обертах. Додатково малий діаметр циліндра обмежує кількість повітря та палива, які можуть бути впорснуті в камеру одночасно. Через це разова порція енергії є відносно невеликою, а сам двигун вирізняється низькою динамікою та потужністю.

Агресивний маркетинг і запозичені технології
У рекламних матеріалах китайський виробник охоче хвалиться гучними назвами систем, як-от система згоряння «Fire Tornado» або профільований впуск «Duckbill».

Насправді за цими барвистими термінами ховаються вже відомі в індустрії рішення з оптимізації геометрії впускних каналів для створення сильного завихрення повітря (tumble). Збільшення швидкості та турбулентності повітря, що всмоктується, дозволяє краще перемішувати його з паливом, що, у свою чергу, забезпечує швидше та ефективніше згоряння суміші.

Щоб максимізувати цей ефект, Geely застосувала систему прямого впорскування під величезним тиском у 500 бар, що гарантує ідеальне розпилення палива. Усе це доповнює екстремально високий ступінь стиснення 15,5:1, який наближає цю конструкцію до сучасних дизельних двигунів. Крім того, у головці блоку циліндрів використовуються лазерно-наплавлені сідла клапанів, які монолітно інтегровані з алюмінієвою деталлю. Це радикально покращує відведення тепла з камери згоряння та дає інженерам більше свободи при проєктуванні форми впускних каналів.

Однак, якщо порівняти ці інновації з рішеннями конкурентів, виявиться, що новий китайський двигун не є технологічною революцією в багатьох аспектах. Схожі рішення — від лазерного наплавлення сідел клапанів і покриття DLC для зниження тертя на рухомих деталях до складних форм впускних каналів — успішно використовуються Toyota у своїх приводах Dynamic Force. Різниця полягає лише в тому, що японці замість прямого впорскування під тиском 500 бар використовують комбінацію прямого та розподіленого впорскування. Усі ці механічні модифікації забезпечують приріст ККД приблизно на 1%. Звідки ж береться решта цього вражаючого результату?

Глибокий цикл Міллера та філософія «зворотного гібрида»
Справжнім джерелом рекордного ККД є застосування так званого глибокого циклу Міллера, який в реаліях цього атмосферного двигуна є екстремальним різновидом циклу Аткінсона. Суть рішення полягає в навмисному і дуже пізньому закритті впускних клапанів — навіть після того, як поршень пройшов 50% або 60% такту стиснення. Внаслідок цього частина повітря виштовхується назад у колектор, через що реальний такт розширення (робочий хід) стає набагато довшим за такт стиснення. Це дозволяє феноменально використовувати енергію вихлопних газів, але водночас критично знижує потужність, яку генерує сам двигун.

Таке значний зсув фаз газорозподілу робить двигун без зовнішньої підтримки абсолютно безпорадним і млявим у повсякденній їзді. Тож ключ до успіху криється у зовсім іншому підході до самої концепції гібрида. У системах Toyota саме двигун внутрішнього згоряння є головним джерелом тяги, а електричний компонент лише допомагає йому. У випадку з новою конструкцією Geely ролі повністю змінилися — це фактично електромобіль, де потужний електродвигун і велика батарея приводять в рух колеса, а бензиновий двигун внутрішнього згоряння виконує допоміжну функцію генератора, заточену виключно під оптимальні умови виробництва струму.

Зміна пропорцій та ставка на більші електричні компоненти дозволили безкомпромісно розвантажити бензиновий двигун і змусити його працювати в екстремально вузькому, але ультраефективному діапазоні. Ціною цього є поведінка автомобіля після розряджання акумулятора: на довгих підйомах чи автомагістралях малий двигун не встигає одночасно крутити колеса та заряджати батарею, що призводить до раптового падіння динаміки. Щоб зарадити цьому, виробнику довелося залучити штучний інтелект, який аналізує маршрут у хмарі і заздалегідь наказує двигуну підзаряджати батарею на рівних ділянках дороги.

Остаточна відповідь на питання, поставлене в заголовку, знаходиться десь посередині. З погляду чистої теорії двигунів внутрішнього згоряння, ККД 48,41% — це значною мірою системний шедевр, заснований на радикальному розширенні меж циклу Аткінсона, а не на революційних наукових відкриттях у галузі механіки. Подібний агрегат могли б створити компанії з Європи, Японії чи США, якби вони вирішили будувати гібриди з настільки сильним акцентом на електричний привід.

Проте це не скасовує того факту, що для китайського автопрому, який ще нещодавно вчився у світових гігантів, це колосальний крок уперед. Він демонструє, що виробники з Піднебесної повністю наздогнали світових лідерів і вміють грамотно маніпулювати технологіями приводів, створюючи рекордні конструкції — нехай навіть ті й потребують постійної підтримки з боку алгоритмів штучного інтелекту.

Питання якості виконання та довговічності двигунів з Китаю ми наразі залишимо без коментарів.