Care va fi motorul cu ardere internă al viitorului?

Prezentare de Dr. Rolf Leonhard, vicepreședinte inginerie tehnică, Robert Bosch GmbH (sisteme diesel) la Boxberg.

Motorul cu ardere internă are încă un potențial mare

Fiind cel mai important furnizor auto din lume, Bosch oferă tehnologii esențiale pentru practic toți producătorii de automobile. Gama noastră de produse și servicii este extrem de largă, de la senzori simpli la piese mai mari, de la sisteme complete de injecție până la concepte complete ale motorului. Aceasta și abilitatea noastră inovatoare formează baza experienței noastre, care ne permite să evaluăm posibilitățile de dezvoltare ulterioară a sistemelor de propulsie a vehiculelor - un sondaj care este în mare măsură independent de aspirațiile individuale ale producătorilor auto individuali.
Pe baza acestor cunoștințe, ne așteptăm ca, în câțiva ani, o mașină de pasageri produsă în serie din clasa mijlocie inferioară să poată parcurge o sută de kilometri folosind trei litri de combustibil. Deci, va fi o mașină care poate face 33 de mile pe un litru de combustibil, 78 de mile pe un galon american și 94 de mile pe un galon englezesc. Cu o greutate a mașinii de 1.200 de kilograme, această mașină nu va fi considerată ușoară, dar în același timp va depăși obiectivele politicii de mediu prin emiterea a 70 de grame de CO2 pe kilometru. Bosch lucrează la dezvoltări tehnice pentru a deschide calea acestui nou vehicul.

Astăzi, motorul pe benzină este cel mai comun mod de propulsie din lume. Cântărind aproximativ 1.400 de kilograme, o mașină tipică europeană are un motor mediu cu doi litri, patru cilindri, cu injecție indirectă, capabil de aproximativ 100 de kilowați. Acest vehicul consumă 7,7 litri de benzină la o sută de kilometri, în timp ce emite 182 de grame de dioxid de carbon pe kilometru. Mă voi referi la acest motor mai târziu, când voi prezenta avantajele tehnice pe care le-am pus deja în practică și pe care le vom aplica în viitor.

Cu acest motor mediu, există acum concepte de motor de ultimă generație cu un consum semnificativ mai ridicat de combustibil: un motor pe benzină cu injecție directă care a trecut prin anumite trepte de reducere consumă cu 15% mai puțin combustibil. În schimb, un motor diesel convențional common rail folosește cu 30% mai puțin combustibil, la fel ca un hibrid pe benzină.

Cu toate acestea, aceste valori ale consumului de combustibil și ale emisiilor, care sunt acum obișnuite, nu sunt în niciun caz sfârșitul posibilităților motorului cu ardere internă și a conceptelor de antrenare asociate. Dezvoltatorii Bosch lucrează deja la tehnologii care pot reduce și mai mult consumul de combustibil și emisiile de CO2.

Impactul semnificativ pe piață al motoarelor pe benzină mai eficiente

Inginerii noștri se așteaptă ca motoarele pe benzină să obțină reduceri cu 25-30 la sută a consumului de combustibil și a emisiilor de CO2, cu un potențial de dezvoltare puțin mai mic decât motoarele diesel. Cu toate acestea, cota mare de piață a motoarelor pe benzină la nivel mondial înseamnă că aceste evoluții vor avea, fără îndoială, un impact semnificativ. Deși prețul unui rezervor de combustibil variază considerabil în întreaga lume, emisiile de CO2 semnificativ mai mici și utilizarea mai atentă a combustibililor fosili sunt o bună reflectare a obiectivelor industriei auto și a politicilor de emisii din ce în ce mai stricte în majoritatea țărilor. Tehnologiile Bosch pentru motoarele cu ardere internă oferă o bază importantă pentru atingerea acestor obiective ambițioase de emisii.

Aproape două treimi din mașinile vândute sunt fabricate cu motoare pe benzină cu injecție indirectă la nivel mondial. Doar injecția directă și o reducere mică a dimensiunii motorului ar putea reduce consumul de combustibil și, în paralel, emisiile de CO2 cu cel puțin 15%. Unii producători auto urmează deja acest concept, în special pentru modelele lor cu volum pe benzină, utilizând sistemul de injecție directă „DI-Motronic” de la Bosch. În Europa, acest sistem este utilizat, de exemplu, de Volkswagen și BMW-Mini în cooperare cu Peugeot. În Statele Unite, folosește sistemul DI-Motronic în „programul EcoBoost” Ford pentru motoarele cu șase cilindri. Se găsește și în Asia pe motoarele cu trei cilindri de 0,66 litri la modelele Suzuki K.

În pachetul nostru tehnic pentru creșterea consumului de combustibil al motoarelor pe benzină, factorii cheie de reducere a dimensiunii sunt injecția directă și turbocompresorul. În primul nostru pachet tehnic, am introdus, de asemenea, controlul variabil al supapelor de admisie și evacuare ale motorului și am completat acest control al supapei cu funcția de spălare realizată prin deschiderea supapelor împreună. Spălarea permite să curgă mai mult aer proaspăt în cilindri, ceea ce crește semnificativ cuplul la turații deosebit de mici și oferă nivelul de performanță dorit chiar și cu un motor cu o cilindree de 1,4 litri.

Acest pachet tehnic reduce și mai mult consumul de combustibil cu sistemul nostru start-stop, care oprește motorul atunci când vehiculul staționează. Și sistemul nostru de gestionare a căldurii crește, de asemenea, eficiența motorului. Aceste tehnologii contribuie la reducerea consumului de combustibil și a emisiilor de CO2 cu 22% pentru motoarele pe benzină.

Cu al doilea pachet tehnic pentru motoare pe benzină, dorim să obținem o reducere de aproximativ 29% a consumului de combustibil până în 2015. Aceasta include reducerea dimensiunii motorului la 1,1 litri fără a sacrifica puterea și cuplul. Performanța va rămâne comparabilă cu motorul nostru standard de 100 litri și doi litri. Spre deosebire de primul pachet tehnic, presiunea de creștere a turbocompresorului este crescută de la 1,8 la 2,4 bari, ceea ce înseamnă că și mai mult aer intră în camera de ardere a motorului. În ciuda camerei de ardere mai mici, acest lucru permite injectarea aceleiași cantități de combustibil și astfel obținerea aceleiași performanțe. Cu toate acestea, acest lucru necesită o comandă mai sofisticată a supapelor, care poate fi utilizată pentru a schimba nu numai timpul de deschidere a supapelor, ci și adâncimea de deschidere a supapelor și, astfel, secțiunea transversală de admisie.

Aceste îmbunătățiri ale consumului de combustibil se bazează pe DI-Motronic, a doua generație a sistemului de injecție directă a benzinei Bosch. De asemenea, acest lucru reduce semnificativ emisiile de hidrocarburi (HC) și oxid de azot (NOx) prin prepararea mai eficientă a amestecului. DI-Motronic îndeplinește cu ușurință limitele standardului SULEV (Super Ultra Low Emission Vehicle) stabilit în Statele Unite, care sunt în prezent cel mai strict din lume. Acest lucru lasă suficient spațiu de manevră pentru a îndeplini în viitor limite chiar mai stricte. În plus, această tehnologie de injecție este suficient de robustă pentru a funcționa corect cu diferite tipuri și calități de combustibili disponibili în diferite părți ale lumii.

Cu toate acestea, în acest pachet tehnic, dezvoltatorii noștri se așteaptă la introducerea noului proces de combustie pe benzină HCCI (aprindere prin compresie omogenă) până în 2015. Datorită eficienței crescute datorate procesului, în principal la sarcină parțială, consumul de combustibil poate fi redus cu până la 2-3 puncte procentuale suplimentare.

Eficiența sporită este cheia unui motor diesel mai economic și mai ecologic

Tratarea gazelor de eșapament deschide noi perspective inginerilor pentru a îmbunătăți în continuare eficiența motorului diesel. Pe măsură ce temperatura de ardere în cilindru crește, eficiența motorului se îmbunătățește. Dar, în același timp, are un efect negativ asupra emisiilor de oxid de azot, care sunt supuse unor reglementări stricte. Cu toate acestea, prin controlul emisiilor de oxid de azot prin încorporarea unui catalizator SCR în sistemul de evacuare, temperatura de ardere în motor poate fi crescută. Acest lucru poate crește eficiența utilizării motorinei, reducând astfel consumul de combustibil. În acest aranjament, putem folosi sistemul nostru Denoxtronic pentru a reduce consumul de combustibil cu încă 5-7 puncte procentuale. Reducând în continuare volumul cursei la 1,2 litri și obținând o capacitate de 83 kilowati pe litru, emisiile de CO2 pot fi reduse la 97 de grame pe kilometru. Consumul de combustibil al unui astfel de motor diesel Euro 5 poate fi redus cu 33%, iar ca hibrid diesel, acest motor ar consuma cu 40% mai puțin combustibil decât un motor diesel convențional common rail. În acest domeniu, avem un parteneriat de dezvoltare strâns cu PSA Peugeot Citroën, unul dintre cei mai mari producători de motoare diesel din lume.

Tehnologia de injecție, în special presiunea de injecție și debitul de injecție, sunt esențiale pentru toate eforturile noastre de a reduce emisiile și consumul de combustibil. Sistemul nostru common rail de ultimă generație, controlat cu solenoid, a fost echipat mai întâi cu o supapă cu presiune echilibrată, care ne-a permis să îmbunătățim și mai mult dinamismul procesului de injecție la presiuni de până la 1800 bar sau mai mari. A început deja producția în serie a sistemului common rail Bosch, mai sofisticat din punct de vedere tehnic, controlat prin piezo, cu presiuni de injecție de până la 2.000 de bari.

Lucrăm deja la dezvoltarea sistemelor de injecție cu presiuni mai mari de 2000 de bari, în pregătirea proceselor de ardere conforme Euro 6 și cu scopul de a reduce în continuare consumul de combustibil și emisiile de CO2. Cu toate acestea, pentru a realiza acest lucru, inginerii noștri trebuie să facă față unor provocări tehnice dure.

Cheia motoarelor eficiente este reducerea dimensiunii

Una dintre condițiile de bază pentru reducerea dimensiunii unui motor este creșterea presiunii aerului carburatorului care intră în motor - este nevoie de mai mult oxigen pentru a arde mai mult combustibil - crescând astfel performanța motorului. Din alt punct de vedere, cu aceeași presiune de umplere, se poate obține aceeași putere cu un volum de cursă mai mic. Toate acestea fac din turbocompresor un alt element cheie în reducere. La joint-venture-ul nostru Bosch Mahle Turbosystems, dezvoltăm soluții de realimentare atât pentru motoarele pe benzină, cât și pentru cele diesel. Inginerii noștri lucrează la proiectarea unei game complete de turbocompresoare pentru motoare de la 40 la 200 de kilowați. Vedem o oportunitate de piață deosebit de importantă în turbocompresoare pentru motoare diesel sub 100 kilowați.

Rezumat și perspective - motoare cu ardere internă în 2015

Bosch lucrează pentru a dezvolta noi tehnologii inovatoare pentru a îmbunătăți continuu eficiența mașinilor cu motor cu combustie internă, indiferent dacă acestea funcționează pe benzină sau diesel. Eforturile noastre de a dezvolta motoare cu ardere internă pe bancurile noastre de testare vor avea ca rezultat un nou concept de motor care va fi gata pentru lansarea pe piață până în 2015.
Având în vedere dimensiunea și toți parametrii principali, diferențele dintre motoarele pe benzină și cele diesel sunt în esență mici. Ambele pot fi supuse unei reduceri semnificative, rezultând un motor cu trei cilindri, de 1,1 sau 1,2 litri, care oferă aceeași putere de 100 kilowati ca motorul standard menționat la începutul discursului meu. Mai mult, va include o serie de tehnologii complementare care vor spori și mai mult eficiența generală a grupului de propulsie:

o Sistem de pornire-oprire care pornește și oprește automat motorul atunci când vehiculul staționează, cum ar fi la un semafor sau la un blocaj de trafic,
o sistem de gestionare a căldurii care încălzește rapid motorul la temperatura optimă de funcționare și își menține temperatura acolo,
o Generator extrem de eficient cu unitate de control, care folosește energia generată în timpul frânării pentru a încărca bateria,
o o serie de alte funcții de asistență care funcționează mai eficient și mai controlabil datorită electronizării.

Datorită soluțiilor tehnice Bosch, motoarele cu ardere internă din viitor vor funcționa și mai eficient. Până în 2015, o mașină pe benzină va consuma doar 5,5 litri de combustibil la o sută de kilometri - cu 29% mai puțin decât motorul nostru standard din 2009. O mașină diesel va necesita doar 3,6 litri de motorină pe sută de kilometri în 2015 - cu o treime mai puțin decât motorul nostru diesel din 2009.

Folosind tehnologia hibridă, putem reduce consumul de combustibil al motoarelor pe benzină cu 39% și cel al motoarelor diesel cu 40%. Producătorii de automobile folosesc și alte tehnologii pentru a reduce și mai mult consumul de combustibil și emisiile. Acestea reduc rezistența aerului prin proiectarea corpurilor mai raționalizate. De asemenea, reduc greutatea vehiculului și rezistența la rulare. Una peste alta, o mașină optimizată pentru toate aceste aspecte va consuma cu 50% mai puțin combustibil decât astăzi - în condiții normale, consumul de combustibil este de aproximativ 3,8 litri pentru motoarele pe benzină și 2,6 litri pentru motoarele diesel la 100 de kilometri.

Desigur, toate aceste tehnologii speciale au un cost. Dar suma economisită de șoferi la costurile cu combustibilul are ca rezultat o rentabilitate mai mare a investiției pe termen lung. Cu tehnologia lor, economisesc bani de fiecare dată când își alimentează mașina. Și costurile tehnologiei vor fi recuperate și în alte moduri - prin îmbunătățirea calității vieții și protejarea mediului. Toate acestea se reflectă în sloganul „Proiectat pentru viață” al lui Bosch.

Pe lângă soluțiile tehnice menționate deja pentru reducerea emisiilor de CO2, luăm în considerare toate opțiunile fezabile din punct de vedere economic și ecologic pentru crearea motoarelor cu ardere internă care funcționează cu combustibili alternativi. Acest lucru se datorează faptului că combustibilii produși din surse regenerabile contribuie, de asemenea, la protejarea mediului.

Motorul cu ardere internă al viitorului - avantaje față de propulsia hibridă și electrică

Odată cu răspândirea constantă a mobilității, tot mai mulți oameni din întreaga lume își doresc o mașină. Acest lucru încurajează producătorii de automobile și furnizorii acestora să îmbunătățească eficiența energetică a produselor lor, în care mașinile hibride și electrice joacă un rol din ce în ce mai important. În același timp, emisiile de CO2 și consumul de combustibil pot fi reduse semnificativ mai rapid și mai rentabil prin exploatarea potențialului de dezvoltare al motoarelor pe benzină și diesel. Inginerii Bosch lucrează din greu pentru a traduce aceste tehnologii în viitoare concepte de motoare auto și pentru a profita din plin de potențialul motoarelor cu ardere internă.