Magnum 318 vs Jaguar V12 (Часть 4)

Эта запись будет про двигатель Jaguar НЕ-V12, который начал выпускаться в 1981-м году. Буквы «НЕ» в названии двигателя, означают «Head Engine» (голова двигателя). Именно головками блоков цилиндров он отличается от двигателя Jaguar V12 1971-80 годов выпуска. Основное отличие заключается в камерах сгорания. Именно изменённые камеры сгорания позволили увеличить степень сжатия в двигателе Jaguar НЕ-V12 до значения 12,5/1. Вот только максимальная мощность при этом, практически, не увеличилась. Зачем же тогда нужно было «огород городить»? Давайте разбираться.
Окунёмся в историю. Двигатель Jaguar V12 появился в 1971 году, накануне т.н. «нефтяного кризиса», который начался в 1973-ем. А уже в 1974-ом цена на нефть выросла в 4 раза. К 1981-му году нефть подорожала более, чем в 10 раз. Бензин, конечно, подорожал меньше, но тоже в разы.
Так вот, двигатель Jaguar V12 с самого начала отличался высоким расходом топлива при, так скажем, обычной эксплуатации. Причины этого, такие же, как и у двигателя Magnum 318 (об этом можно прочитать здесь www.drive2.ru/l/7700850/ ), только для Jaguar V12 их нужно «умножать на полтора». Продажи автомобилей Jaguar с двигателями V12 стали падать. А когда в конце 1970-х покупатели стали отменять уже сделанные заказы, то «ягуаровцы» поняли, что расход топлива гражданских версий двигателя Jaguar V12 нужно как-то снижать. Едва ли не единственный способ это сделать – увеличить степень сжатия. Но что бы сколько-нибудь ощутимо снизить расход топлива, степень сжатия нужно увеличивать «всерьёз и на много», а у двигателя Jaguar V12 уже при 10/1 возникали проблемы с детонацией. Значит, нужно менять форму камеры сгорания…
У решения этого вопроса есть своя предыстория. Где-то в середине 1970-х годов британский инженер Г. Уэслейк, с целью повышения экономичности (читай, термического КПД) ДВС, разработал оригинальную форму камеры сгорания. В то время считалось, что чем меньше геометрические размеры камеры сгорания и чем ближе свеча зажигания к выпускному клапану, тем лучше, в плане борьбы с детонацией. Вот Уэслейк и создал камеру сгорания, которая «состоит» только из некого объёма под выпускным клапаном, свечи зажигания и канала, соединяющего объём под выпускным клапаном со свечёй зажигания. Схематично, выглядела эта камера сгорания так.

На экспериментальных двигателях, такая камера сгорания «переваривала» степени сжатия до 16/1 без возникновения детонации. А больше и не нужно. Почему не нужно? Об этом уже писалось здесь www.drive2.ru/l/9152007/ Однако, другой инженер, М. Мэй, швейцарец по происхождению, «пошёл ещё дальше» и «убрал» из камеры сгорания Г. Уэслейка ту часть, которая соединяет объём под выпускным клапаном со свечой зажигания. Схематично, камера сгорания Мэйя выглядит так.

Дав этой камере сгорания поэтическое название «Огненный шар», М. Мэй предложил её фирме «Jaguar». В результате из «плоской» ГБЦ получилось вот что.

Днище поршня при этом сделали плоским. На неглубокую выемку, под впускным клапаном, не нужно обращать внимания, т.к. рабочей смеси в ней очень немного и это её количество не оказывает существенного влияния на процесс сгорания. Т.е. камера сгорания это…

… только выделенная красным часть. Кроме этого, важно отметить эффект завихрения рабочей смеси при её сжатии.

Происходит это так. Когда поршень приближается к ВМТ, часть рабочей смеси, находящейся под впускным клапаном, вытесняется в камеру сгорания, причём в определённом направлении. При этом, смесь в камере как бы закручивается, что способствует лучшему её перемешиванию и позволяет сделать эту смесь несколько беднее (благо, электронная система впрыска топлива Lucas EFI позволяла достаточно точно регулировать состав смеси). Это, наряду с увеличенной степенью сжатия, способствовало повышению экономичности двигателя в целом. Вот так, с минимальными доработками, в 1981-ом году появился двигатель Jaguar НЕ-V12, расход топлива которого стал вполне приемлемым для автомобиля такого класса. Но почему же, при увеличении степени сжатия с 9/1 до 12,5/1, максимальная мощность, практически, не увеличилась? Посмотрим ещё раз на технические характеристики этих двигателей.

217 кВт максимальной мощности двигателя Jaguar НЕ-V12, против 211 кВт у Jaguar V12. Т.е. разница меньше 3%. В тоже время, теория ДВС утверждает, что при таком увеличении степени сжатия среднее эффективное давление должно увеличится, примерно, на 8%.

Так оно на эти 8% и увеличилось. Как? Сейчас вы всё поймёте. Давайте сравним внешние скоростные характеристики двигателей Jaguar V12 и Jaguar НЕ-V12.

Максимальный крутящий момент двигателя Jaguar НЕ-V12, по сравнению с Jaguar V12, увеличился на 33 Нм.

Если за 100% принять 398 Нм максимального крутящего момента двигателя Jaguar V12, то тогда максимальный крутящий момент двигателя Jaguar НЕ-V12 увеличился на 8%. Ну, хорошо. А почему же эти самые «+8%» появились только в таком узком диапазоне оборотов? Всё дело в форме камеры сгорания. Когда поршень находится в ВМТ, то зазор между ним и впускным клапаном, практически отсутствует. Это делает невозможным обеспечить т.н. перекрытие клапанов в конце такта выпуска/начале такта впуска. Что, в свою очередь, не только ухудшает очистку камеры сгорания от отработанных газов, но ещё и сужает фазу открытия впускного клапана. В конечном итоге, имеем ухудшение наполнения цилиндров на высоких оборотах. Вот так. Если бы не высокая степень сжатия, то максимальная мощность двигателя Jaguar НЕ-V12 была бы на много меньше, чем у Jaguar V12. А так, уменьшение количества рабочей смеси в цикле, компенсируется тем, что теперь смесь сжимается не в 9 раз, а в 12,5. Простыми словами, 5% увеличения эффективности, за счёт увеличения степени сжатия, идёт на компенсацию уменьшения наполнения цилиндров (уменьшение количества смеси). А для увеличения мощности остаётся только 3% из тех 8%, о которых нам говорит теория ДВС. Но ухудшение наполнения цилиндров произошло только на высоких оборотах. Например, на 3250 об/мин. наполнение цилиндров даже улучшилось, т.к. перекрытие клапанов на этих оборотах только мешало. Поэтому при 3250 об/мин., в отличии от 5500 об/мин., все 8% пошли на увеличение среднего эффективного давления.
Подведём итог. Не смотря на то, что камера сгорания Мэйя значительно снизила расход топлива двигателя Jaguar НЕ-V12, годилась она только для гражданских версий, т.к. возможности увеличения максимальной мощности были сильно ограничены недостаточным наполнением цилиндров на высоких оборотах. И это с учётом того, что тот самый впускной канал, формой которого так «дорожили» «ягуаровцы», остался без изменений. Таким образом, становится совершенно ясно, что появление двигателя Jaguar НЕ-V12 было вынужденной мерой. А гоночные версии «атмосферных» двигателей V12 строились со старыми, «плоскими» ГБЦ. О ещё одном способе повышения экономичности ДВС с помощью изменения степени сжатия и наполнения цилиндров, на примере двигателя Magnum 318, можно прочитать здесь www.drive2.ru/l/7751305/ Ну и, наверное, самое главное. Некоторой "ошибкой" (ставлю кавычки, т.к. не считаю себя выше/умнее упоминаемых инженеров) как Уэслейка, так и Мэйя, было то, что при увеличении степени сжатия, значение, в плане борьбы с детонацией, имеет не только минимальные геометрические размеры камеры сгорания, но ещё и расстояние от электродов свечи до самой удалённой точки камеры сгорания. Если применить это на практике, то одновременно можно обеспечить и высокую степень сжатия, и хорошее наполнение цилиндров на высоких оборотах. Как пример, можно привести камеру сгорания двигателя Toyota 2AZ-FE, который мы уже сравнивали с Magnum 318 (www.drive2.ru/l/7992768/).
У меня всё. Извините за много букав.
Спасибо за внимание.