ТЕХНОЛОГИЯ E-TEC^TM

Вот уже три года мы получаем многочисленные вопросы относительно новой разработки, которую корпорация BRP назвала революционной. Речь идет о двигателях Evinrude, выполненных по технологии E-TEC. Надеемся, что статья инженера сервисного центра Бриг ЛТД Юрия Артамонова ответит на большинство из этих вопросов и поможет понять преимущества этой новой технологии.

1.Немного истории. История создания лодочных двигателей Johnson и Evinrude - это, по сути, и есть история подвесных моторов вообще. В 1903 году братья Джонсон из Индианы изготовили свой первый мотор, а Оле Эвинруд сконструировал свой образец двигателя в 1908 году. К 1936 году, после слияния фирм Johnson Motors и произошло окончательное формирование торговых марок Johnson и Evinrude. В этой славной истории были и взлеты, и падения, и технологические решения, опередившие время, и выпуск одного типа двигателя на протяжении более двадцати лет. Многие современные технологические прорывы некоторых подвесных двигателей были впервые опробованы многие десятилетия назад, но из-за несовершенства технологий и материалов только в наше время обрели силу. На протяжении более восьмидесяти лет с появления первого подвесного лодочного мотора, их разработчики были озабочены многими параметрами их детищ - это и малый вес, и легкость запуска, и максимальная мощность, но вот кое о чем они забыли. А именно - уровень токсичности выбросов. И вот, Штат Калифорния, США стал известным всему миру благодаря тому, что первым ввел суровый закон, ограничивающий токсичность выхлопных газов для автомобилей, работающих на бензине. Для того, чтобы уменьшить загрязнение воздуха выхлопными газами, для всех автомобилей, работающих на бензине, в Калифорнии в 1988 г. была введена норма "California Air Resources Board" (CARB), которая представляла собой нормированные требования по ограничению эмиссии и ее токсичности.

Естественно, эти нормы также распространялись и на лодочные моторы. Перед производителями и разработчиками лодочных моторов во всем мире стал вопрос об уменьшении токсичности выхлопа их детищ.

В феврале 2003 года корпорация Bombardier Recreational Products (BRP) анонсировала свое детище - технологию EvinrudeR E-TEC, которая открыла новую эпоху в индустрии подвесных лодочных моторов. Эта технология изначально была разработана для соответствия норме California Air Resources Board (CARB) 3-звезды. В это же году на бот-шоу в Майями, технология Evinrude E-TEC была номинирована на звание Новшество года в категории лодочных двигателей.

2. Немного теории. Почему же так происходит - восемьдесят лет производители всех стран выпускали двигатели, которые загрязняют окружающую среду, и как следствие, потребляют много топлива?

Ответ прост. Все дело в том, что лодочным двигателям изначально предъявлялись требования быть очень легкими и иметь очень хорошую динамику разгона. Под эти требования как нельзя лучше подходят двухтактные моторы. Они легки, так как отсутствует множество узлов, присущих четырехтактным моторам (такие как распредвал, картер с моторным маслом, цепи или ремни распредвала и так далее). Так как каждый ход поршня у двухтактного мотора рабочий, то динамика разгона у двухтактных моторов самая лучшая (в отличие от четырехтактных моторов, у которых поршень передает коленвалу энергию только через раз).

Если пристально посмотреть на схему работы двухтактного двигателя (Рис. 1 - Сравнение карбюратора и прямого впрыска), то можно увидеть некоторый компромисс, с которым все производители двухтактных моторов бьются многие десятки лет. Компромисс этот заключается в следующем. Представим себе камеру сгорания двухтактного мотора в момент зажигания сжатой поршнем топливной смеси. Вот, поршень пошел вниз, толкаемый сгоревшей топливной смесью. Пройдя мимо выпускных окон, поршень открывает путь для выхода результата горения топливной смеси - теперь это выхлопные газы. Пройдя еще ниже, поршень открывает впускные окна, и дает возможность топливно-воздушной смеси перейти из полости коленвала в камеру сгорания. Итак, компромисс - если геометрию впускных и выпускных окон настроить так, чтобы в камеру сгорания подавалось большое количество свежей

топливно-воздушной смеси, то оно заполнит камеру сгорания, вытеснит оставшиеся выхлопные газы в выпускной коллектор, и соответственно, частично "улетит" в выхлопную трубу вслед за выхлопными газами. В этом случае разработчик получит хорошую удельную мощность, высокую токсичность, и как следствие - высокий расход топлива. В другом случае, если геометрию впускных и выпускных окон настроить так, чтобы в камеру сгорания подавалось меньшее количество свежей топливно-воздушной смеси, то оно частично заполнит камеру сгорания, не вытеснит полностью выхлопные газы в выпускной коллектор, но при обратном движении поршня может в небольшом количестве "улететь" в выхлопную трубу. В этом случае, разработчик получит неважную удельную мощность, но лучшую экономичность и меньшие вредные выбросы в атмосферу. В любом случае, токсичность выхлопа у двухтактных моторов при использовании карбюратора будет выше, чем у четырехтактного двигателя такой же мощности, и в любом случае четырехтактный мотор такой же мощности проиграет двухтактным карбюраторным по весу и динамике разгона.

В конце 90-х годов, производители подвесных лодочных моторов стали прогнозировать свое невеселое будущее и строить планы. Одни из них полностью отказались от двухтактных моторов, другие стали разрабатывать и внедрять передовые и высокоинтеллектуальные разработки в двухтактные моторы. Одной из первых такие разработки внедрила в свои моторы корпорация OMC в 1997 году, выпустив двигатель, построенный с использованием технологии FICHT. В этой технологии ключевым фактором было использование специальных инжекторов, которые позволяли впрыскивать топливо непосредственно в камеру сгорания. Это революционное решение наряду с использованием современного бортового компьютера позволило точно дозировать топливо в тот момент, когда поршень при обратном движении перекроет все окна (Рис. 2 - Впрыск топлива после закрытия окон поршнем).

Плюс в полость коленвала распыляется чистое масло, которое не смывается топливом - теперь его там нет! Топливо не смывает масло, что позволяет уменьшить его количество. И все! Уже благодаря этому решению разработчики получили двухтактный двигатель с его совершенной динамикой разгона, великолепной кривой мощности и малым весом, но при этом имеющий уровни выброса и экономичности, как у карбюраторного четырехтактного двигателя. Многие конкуренты повторили этот ход, и воплотили такое решение в своих системах, таких как Orbital, TLDI и других. Но корпорация OMC пошла дальше. Их инженеры сумели реализовать так называемую технологию послойного сгорания.

Что же это за технология? Попробую объяснить. Практически половину всего времени мотор на лодке используется на мощности меньше половины нормативной. Если учесть, что в единице объема топлива заключена одинаковая энергия, которую мотор извлечет и выработает для движения лодки, то получается, что чем меньше обороты двигателя, тем пропорционально меньше должен быть расход топлива. На практике это не так. Вся беда в том, что если просто уменьшить количество топлива, то в камере сгорания окажется бедная смесь, которую трудно воспламенить, а уж если она воспламенится, то горит с взрывным характером, что разрушает поршень. А для двухтактных моторов встает еще одна проблема с использованием бедной смеси - у них поршень охлаждается за счет испарения на днище поршня топливной смеси. Если смесь будет бедная, последует прогар поршня в центре днища и задиры

на стенках цилиндра. Вот и получается на практике, что при значительном снижении мощности двигателя расход уменьшается не пропорционально. Все изменила технология послойного сгорания (Рис. 3 - Послойное сгорание). Эта технология базируется на том, что инжектор и программное обеспечение бортового компьютера мотора могут дать настолько короткий импульс в тщательно рассчитанное время, что образуется небольшое облачко топлива, которое разбивается об специально спроектированную выемку на днище поршня, и достигает свечи. При этом - поршень охладился, а вокруг свечи находится небольшое облачко топливно-воздушной смеси, которое локально имеет соотношение топливо - воздух как у нормальной топливно-воздушной смеси. А вокруг этого облака в остальной камере сгорания - воздух. Свеча легко поджигает эту относительно богатую смесь, это облачко сгорает без детонации и распределяет тепло после горения по всему оставшемуся воздуху в камере сгорания.

Нагретый воздух совершает работу по перемещению поршня. Вот и все! Благодаря этой технологии все остальные моторы (даже четырехтактные с впрыском топлива, которым такие технологии даже не снились!) по нормам выхлопа и расходу топлива остаются далеко позади! (Рис 4 -выхлопные газы) И это при той же динамике разгона и малом весе! Но обкатать технологию FICHT корпорация OMC не успела. Права на выпуск двигателей Johnson и Evinrude выкупила корпорация BRP, которая с самого начала столкнулась с проблемами роста технологии FICHT. Это и основа технологии - старые карбюраторные двигатели, и несовершенная конструкция инжекторов (особенностей которых я коснусь позже), и несовершенство бортового компьютера. Вместо улучшения технологии FICHT специалисты из BRP все кардинально изменили. Исследовав рынок, было принято решение объединить в своей новой разработке лучшее из стандартов четырёхтактных моторов с производительностью и простотой обслуживания двухтактников, чтобы обеспечить не только простой и легкий запуск как в холодном, так и в горячем состоянии, но и малошумность, и ровную работу на малых скоростях, а также сэкономить время и деньги пользователя на техническом обслуживании мотора. Были с ноля построены новые производственные мощности, отобраны

со старых производств лучшие специалисты, которые с чистого листа бумаги построили новую технологию и новый мотор - Evinrude® E-TEC^тм, который впитал в себя все достоинства технологии FICHT корпорации OMC. При этом были учтены опыт, наработки и пожелания многих поколений лодочных моторов.

3. В чем же соль технологии Evinrude® E-TEC^TM?

Начну с самого главного звена, которое позволяет использовать все преимущества технологии послойного сгорания и впрыска непосредственно в камеру сгорания - это инжектор. Инжектор технологии FICHT решал многие задачи для достижения очень достойных показателей экономичности и низкой вредности выхлопа, но его конструкция не позволяла сделать шаг в будущее. Его основа такая же, как и у большинства инжекторов, применяемых в мире на моторах с впрыском топлива, будь то четырехтактный мотор, или двухтактный. Это жестко закрепленная катушка, создающая магнитное поле, и подвижный магнитный плунжер, который и создавал необходимое давление для распыления топлива. После распыления топлива, плунжер обратно возвращается пружиной (Рис. 5 - Инжектор Ficht, DI.). В отличие от четырехтактных моторов, в которых инжектор до момента открытия впускного клапана может сделать несколько распылов, чтобы обеспечить необходимое количество топлива для работы данного цилиндра, двухтактный инжектор прямого впрыска топлива должен распылить все топливо за один раз. Отсюда выходит, что инжектор двухтактного двигателя с непосредственным впрыском топлива должен иметь существенные размеры, что означает массивный плунжер и мощную возвратную пружину. Инжектор технологии FICHT как раз такой и был. Огромный минус данного инжектора в моментах инерции тяжелого плунжера, и в линейной характеристике пружины. На малых оборотах, когда инжектор срабатывает относительно малое количество раз в секунду, все это работает.

Но вот пришло время повысить мощность - и электроника бортового компьютера вынуждена огромным импульсом напряжения разгонять тяжелый плунжер все быстрее и быстрее, а возвратная пружина имеет все ту же скорость возврата плунжера в исходное положение (ее усилие сжатия не меняется от скорости работы инжектора). Плюс, при возврате плунжера в исходное положение происходит его удар об ограничитель и, как правило, серия колебательных движений. И вот, что мы видим. Электроника и рада бы рассчитать и обеспечить нужное количество топлива для данных условий эксплуатации мотора, чтобы обеспечить максимальный крутящий момент при низком потреблении топлива, а инжектор обеспечить нужную подачу топлива не может. Плюс, электроника для управления таким инжектором должна иметь мощные ключи и хороший генератор.

Все изменила технология Evinrude E-TEC. Вот представьте себе динамик хорошей акустической системы - магнит неподвижен, а легкая катушечка с легким диффузором совершает довольно мощные колебания, и делает это точно - иначе звук был бы грязным. Инжектор, построенный по технологии Evinrude E-TEC, вот так и устроен (Рис. 6 - Инжектор E-TEC). Тяжелый и мощный магнит закреплен неподвижно, а легкая катушка на каркасе ходит в зазоре магнита. Катушка связана с легким плунжером. Массивной возвратной пружины нет. Как это все работает? А вот как - одним коротким импульсом бортовой компьютер двигателя приводит в движение катушку с плунжером, происходит распыл топлива. Вторым коротким импульсом, но обратной полярности бортовой компьютер тормозит катушку в нужный момент времени, и возвращает ее обратно.

Третьим коротким импульсом обратной полярности бортовой компьютер стабилизирует катушку в начальном положении во избежание ее колебательных движений. Вот и все! Что электроника вычислила исходя из параметров окружающей среды и состояния двигателя, то инжектор новой технологии и отмерял и распылил.

Для управления инжектором по технологии Evinrude E-TEC уже не нужен мощный генератор и мощные ключи в бортовом компьютере. Это позволило корпорации Bombardier построить первый в мире подвесной лодочный мотор с непосредственным впрыском, с румпельным управлением, с ручным стартером и без внешнего питания от аккумулятора.

Благодаря повышенной точности дозировки топлива в двигателях, построенных по технологии Evinrude E-TEC количество вредных выбросов рекордно мало. И соответственно, существенно уменьшен расход топлива.

4. За что еще заплатит покупатель двигателя, построенного по технологии Evinrude E-TEC^TM?

Корпорация Bombardier Recreational Products при разработке двигателя, построенного по технологии Evinrude E-TEC, приняла решение не размениваться по пустякам. Давайте подробнее рассмотрим все те новшества, которые предлагаются покупателю данного двигателя.

Поршни в данном типе двигателя изготовлены из сплава, запатентованного NASA, что позволило уменьшить тепловые расширения поршней и улучшить их прочность. Гильзы цилиндров обработаны нитридом бора, что наряду с улучшенными поршнями позволяет использовать двигатель на максимальной мощности практически без обкатки двигателя. Каких-либо ограничителей мощности на обкатке двигатель не имеет.

Давайте рассмотрим самую младшую на сегодняшний день модель двигателя с системой Evinrude® E-TEC^TM - это 40 л.с. Генератор этого двигателя обеспечивает зарядку аккумулятора от 3 до 5 ампер уже на оборотах холостого хода. На полных оборотах в бортовую сеть лодки данный двигатель способен отдать 25 Ампер, что достаточно для питания приборов самой "навороченной" лодки! При этом данный двигатель стал первым в мире двухтактным подвесным лодочным двигателем с прямым впрыском топлива с румпельным управлением, которому вообще не нужен аккумулятор! Все это благодаря двум новшествам. Первое - генератор данной модели двигателя рассчитан на выдачу 55 вольт, которые уже затем с помощью ШИМ - модуляции превращаются в 12 вольт для питания остальных потребителей. Такая разница в напряжении дает возможность запитать основных потребителей энергии в двигателе при одной трети оборота маховика. Заметьте - очень важный параметр для румпельного мотора, который заводится ручным стартером. Второе новшество - наличие в генераторе трех фаз, которые через выпрямители включаются электронным блоком последовательно при низких оборотах, и параллельно при оборотах более 1800 об/мин, что дает практически ровную кривую выработки электроэнергии генератором.

Во всех двигателях рассматриваемого семейства Evinrude® E-TEC приняты крайне серьезные меры по снижению шума (Рис. 7 и 8 - Борьба с шумом). Все внутренне пространство нижних и верхней крышек двигателя заполнено специальной шумопоглощающей пеной, на впускном и выпускном коллекторах устанавливаются резонаторы особой формы. Даже дроссельные заслонки на холостом ходу закрываются полностью, чтобы добиться минимального уровня шума. Надо отдать должное специалистам из BRP - они реально существенно снизили уровень шума от двухтактного двигателя. Теперь желающий приобрести тихий мотор для рыбалки, уже не связан выбором только четырехтактного мотора.

Отдельно хочется коснуться такого важного узла данного семейства Evinrude® E-TEC^TM, как бортовой компьютер или электронный блок. Специалисты корпорации BRP при разработке этого блока позаботились о наглядной индикации состояния двигателя с помощью четырех светодиодов, что поможет пользователю данного мотора без каких - либо диагностических приспособлений проверить правильность работы мотора. Также одним из немаловажных новшеств данного бортового компьютера является способность автоматически (по желанию владельца) произвести консервацию двигателя. Ну и, конечно же, бортовой компьютер хранит в себе всю информацию о работе двигателя - и температурные режимы, и обороты, и возможные отказы каких-либо датчиков, что значительно облегчает обслуживание двигателя или поиск возможных неисправностей. Плюс ко всему, данный бортовой компьютер автоматически калибрует все датчики, что позволяет убрать всяческие регулировки согласования и так далее. Естественно, что при возникновении нештатной ситуации, бортовой компьютер данного типа двигателя не даст двигателю погибнуть - он вовремя оповестит пользователя, сбросит обороты или заглушит мотор, но при этом даст владельцу пройти некоторое расстояние на оборотах, близких к холостым, чтобы добраться до берега.

Один из важнейших плюсов данного типа двигателей Evinrude E-TEC является срок в 300 часов (или 3 года, смотря что наступит раньше) до первого технического обслуживания. Конечно же, с нашим топливом в Украине могут быть некоторые отступления - возможно, владельцу, использующему некачественный бензин, свечи менять придется чаще.

5. Итоги трех лет эксплуатации двигателей семейства Evinrude® E-TEC^TM

Теперь, когда продано большое количество таких двигателей, можно подвести итоги трехлетнего наблюдения за ними и их обслуживания. Как представитель сервисного центра фирмы "Бриг ЛТД" могу с уверенностью сказать - двигатель заслуживает пристального внимания тех, кто хочет приобрести надежный и современный подвесной лодочный двигатель. Статистика поломок данного семейства двигателей показывает весьма низкий процент отказов. По своим тактико-техническим характеристикам двигатель не вызвал неудовлетворения ни у одного из владельцев таких двигателей.

Можно с уверенностью сказать, что технология, используемая в данных двигателях с начала их производства до сегодняшних дней на месте не стоит. Специалисты корпорации BRP постоянно что-то усовершенствуют в конструкции двигателей, и останавливаться, по-видимому, не собираются. Недочеты, замеченные в первых партиях двигателей, буквально со следующей партией были исправлены.

Юрий Артамонов, инженер сервисного центра Бриг ЛТД.
, www.brig-ltd.com

Другая статьи о моторах Evinrude