И вот такой мотор - это "Johnson 150 Ficht Fast Strike" - был показан общественности. Прежде чем рассказывать о нем. отметим, что детонатором этой бешеной гонки моторостроителей на техническое опережение стали новые, очень жесткие природоохранные стандарты Совета Европы, касающиеся экологической чистоты лодочных подвесных моторов. Новые требования и нормы поставили всех производителей такой техники в прямом смысле на грань выживания тот, кто до конца века не сможет преодолеть этот технический барьер, завтра окажется за бортом рынка. Неудивительно. что все лучшие силы были брошены на решение труднейшей задачи - создать "экологически чистый" подвесной мотор. Естественно, что за эти годы не раз раздавались широковещательные заявления той или иной фирмы, что именно она уже близка к радикальному решению сложного клубка проблем, стоящих перед создателями такого мотора. Однако приводимые фирмой результаты ее чисто лабораторных исследований или даже выставочные премьеры ее новинок никак не оказывались достаточно объективными и убедительными. До тестовых испытаний новинок независимыми экспертами дело и не доходило, хотя подобные испытания лодок и моторов, проведенные, например, специалистами ведущих "морских" журналов, и считаются наиболее надежными и убедительными с точки зрения читателей - будущих покупателей техники.
Поясним, почему в его названии фигурирует слово Ficht. Таково название немецкой фирмы, которая разработала оригинальную систему прямого впрыска топлива, похоже, наиболее эффективно решающую эту проблему. Система Ficht была внедрена в серийную продукцию корпорации "ОМС" (которая владеет приблизительно 51% акций немецкой фирмы) и послужила основой для комплексного преобразования 150-сильного мотора на базе новейшей электронной техники. В результате удалось создать подвесной мотор с бескарбюраторным двухтактным двигателем, который по экономичности и экологичности нисколько не уступает четырехтактным. Новый Johnson при том же рабочем объеме (1589 см3) и той же мощности, что и базовая модель, обеспечивает, по утверждению специалистов "ОМС", 35%-ю экономию топлива, снижает выброс углеводорода на 75-80%, работает бездымно и практически бесшумно.
Такой тихий-тихий, но мощный!
В середине сентября прошлого года испытания начались: два журналиста из "Stander" появились на борту ожидавшей их в гавани на итальянском озере Лаго Д'Изео мотолодки. Это была 6-метровая мотолодка фирмы "Azura" (вес 930 кг), на ее транце красовался необычный 150-сильный "Johnson" с округлым капотом.
Почему в качестве базовой модели был выбран такой мощный двигатель? Очень просто. Американцы любят ходить под мощными подвесными моторами покупают их тоже неплохо), поэтому испытания 150-сильного мотора будут особенно убедительными. Тем более, что сводимые в США с 1998 г. новые ограничения по эмиссии углеводородов коснутся мощных моторов в первую очередь. Показательно и то, что именно мощные моторы особенно чувствительны к процессу приготовления топливной смеси и к качеству смазки, так как расходуют в единицу времени большие массы топлива и масла. Да и внедрять технически сложные новинки на крупном двигателе легче, чем на маломощном. Наконец, при этом будет менее заметным влияние Факторов стоимости и веса. Например, новичок при весе 184 кг тяжелее гораздо менее совершенной базовой модели всего на 14 кг!
Журналист - опытнейший водномоторник - садится на место водителя. Легкий поворот ключа в замке зажигания - и шестицилиндровый двигатель заводится сразу, без какой-либо предварительной подкачки топлива и другой "шоковой терапии". При слегка повышенной частоте холостых оборотов (900 об/мин) шумометр регистрирует 61 дБ (А), вибрация практически отсутствует. Определить, что двигатель работает, можно только по контрольной струе охлаждающей воды и некоторому нагреву капота. Но самая поразительная ситуация - с дымом. Всегда сопровождающий запуск подвесника синий дым отсутствует - его нет ни при холостых оборотах, ни, как выяснилось позже, на максимальной скорости.
Но, может быть, легкость запуска объясняется просто тем, что ожидавшие экспертов представители "ОМС" успели заранее прогреть двигатель? Чтобы исключить возможность такого предположения, журналисты в два часа ночи потихоньку выбрались из мотеля и поехали к причалу одни.
Информация об изображении
Устройство 150-сильного мотора "ОМС" с системой непосредственного впрыска топлива
Простоявший несколько часов холодным двигатель вновь запустился с той же легкостью. Ни дыма, ни вибрации. Никаких "всхлипываний" или "кашля" в моторе пока испытатели на малых оборотах выходят из гавани. Поворот ручки газа - и через три секунды мотолодка уже скользит по ночной глади озера. При скорости 32.8 км/ч стрелка шумометра - сказывает 75 дБ (А): это - уровень приятной беседы без повышения голоса. Пои 4000 об/мин скорость возрастает до 53.4 км/ч - 78.0 дБ (А), при 4500 об/мин - до 60.2 км/ч - 81.0 дБ (А), при максимальных оборотах 5600 об/мин на спидометре - 74.5 км/ч (2 человека на борту), а на шумометре, с учетом шума ветра и воды - 86.0 дБ (А). Очевидно, что 150-сильых подвесных моторов тише этого не бывает! На расстоянии 25 метров шум от "доходящей с максимальной скоростью мотолодки - лишь 73 дБ (А).
Устройство 150-сильного мотора "ОМС" с системой непосредственного впрыска топлива
На всех режимах двигатель работает практически без вибрации, обладает ровным и мощным приемом. Скорость перегруженной (семь пассажиров) лодки при максимальных оборотах 5200 об/мин достигает 67.3 км/ч, а налегке - с одним водителем при 5900 об/мин возрастает до 79.8 км/ч.
Могут ли шесть цилиндров быть экономичными?
Большие и мощные моторы, как правило, нуждаются в хорошем глотке топлива. чтобы сдвинуться с места. Целью "ОМС" при создании мотора нового поколения было значительное снижение количества потребляемого топлива. Может ли быть скромность аппетита новичка столь же убедительной, как уже проведенные тесты? Заполнив топливный бак "по горлышко", экипаж (в составе 4 чел.) уходит в пробную прогулку. Вместе с поворотом ключа зажигания включается секундомер. Из-за сильного ветра и волны даже при максимальной мощности скорость устойчивого глиссирования временами падала с 70 до 43 км/ч. Израсходовав первый бак (за 69 минут), испытатели вновь подошли к месту заправки и опять бак был заправлен полностью.
После многочасового теста на максимальных скоростях результат подсчетов оказался впечатляющим: через шланг подачи топлива за один час проходило 24.52 литра бензина. Эта цифра для двухтактных двигателей такого объема может быть оценена как очень низкая (читатель может сравнить ее с расходом топлива у любого из известных ему моторов!), а, говоря высоким слогом, - как начало новой эры в борьбе за экономию бензина.
По мнению экспертов журнала, с разработкой нового мотора (на выставке "Boot-97" в Дюссельдорфе он был выставлен как модель "Evinrude") корпорация "ОМС" попала "в яблочко". Удалось соединить преимущества двухтактного и четырехтактного двигателей: это малый вес при высокой удельной мощности, с крутой внешней характеристикой мотора в сочетании с низким расходом топлива, малой шумностью, отсутствием дыма и низким уровнем эмиссии углеводородов.
Европейские водномоторники, как правило, использующие моторы меньшей, чем 150 л.с., мощности, интересовались перспективой появления такой же экономичной и малошумной "звезды" среди более распространенных здесь моторов средней мощности. Руководство "ОМС" объявило о том, что будет последовательно снижать мощность подвесных моторов нового поколения. На очереди разработка не менее совершенных четырехцилиндровых "Эвинрудов"/"Джонсонов" мощностью 115 и 90 л.с.
Закономерен вопрос: как же это все достигается технически? На каких трех китах основывается формула успеха?
В 150-сильных моторах "ОМС" нового поколения можно выделить три автоматически управляемые отдельные системы, играющие решающую роль: зажигания, масляная, топливная.
Система зажигания - один из трех китов
Как известно, для полного сгорания топливной смеси необходимо какое-то определенное время, продолжительность которого зависит от соотношения воздух-бензин в смеси, способа ее поджигания, энергии и длительности искры, а также конструктивных особенностей самого двигателя - температуры и степени сжатия в камере сгорания и т.д. Обычные контактные системы зажигания в угоду простоте устройства и надежности не способны отслеживать многие из этих факторов и поэтому мало способствуют экономичности двигателя и не могут обеспечить требующееся снижение токсичности отработавших газов.
Примененная "ОМС" новейшая система зажигания MAG FLASH CD (электронное при помощи компакт-диска) в максимальной степени учитывает влияние всех главных факторов и для этого включает как бы два разных режима зажигания. В одном случае - это зажигание с "поэтапной", в другом - с "равномерной" кривой протекания процесса.
Во время "поэтапного" зажигания - на начальном этапе работы двигателя, когда частота вращения коленвала не превышает 1500 об/мин, оно производится для каждого из цилиндров по отдельности и точно в нужный момент. В результате обеспечивается оптимальный режим использования топлива, недостижимый при старых системах зажигания, поскольку при низкой частоте вращения воспламенить горючую смесь сложнее. При низкой частоте вращения эффективно сказывается примененная особая геометрия и камеры сгорания, и поршня, благодаря чему топливо распыляется слоями. В заряде чередуются слои - зоны богатой и бедной смеси, которые воспламеняются одна за другой, причем бедная смесь воспламеняется не непосредственно от свечи, а от пламени подожженной свечой богатой смеси.
При "равномерном" зажигании, когда частота вращения коленвала превышает 1500 об/мин, процесс впрыска убыстряется, топливное "облако" быстро и равномерно распространяется по всему объему камеры, сгорает быстрее и практически полностью.
Блок бесконтактного электронного зажигания, обеспечивающий увеличенную мощность искрового разряда, работает на самую обычную запальную свечу.
Переменный ток (около 40 А), вырабатываемый генератором, через выпрямитель преобразуется в постоянный и подводится к микропроцессорному контроллеру (E.C.U.). Это "мозг" мотора. Именно сюда поступают все необходимые для автоматического управления процессами в двигателе параметры. Их передают датчики: угла поворота коленвала, температур камер сгорания и всасываемого воздуха, атмосферного давления и положения дроссельной заслонки на диффузоре воздухозаборника. Выходными параметрами E.C.U. для системы зажигания становятся длительность и мощность искрового разряда, а также особо точное определение момента зажигания.
Легкий запуск, устойчивая и мягкая работа на малых оборотах, хороший прием и высокая экономичность - это во многом заслуга именно системы зажигания. Рабочее напряжение 12 и 26 В. Для запуска и работы мотора достаточно обычной 12-вольтовой батареи.
У дыма шансов нет
Почему дымит обычный "подвесник" - знает каждый. Тем более, что к сожалению, это врожденная болезнь всех двухтактных двигателей. Особенно не ломая голову, первые изобретатели двухтактного двигателя, горючая смесь. 8 котором проходит через кривошипную камеру, остановились на самом простом варианте - системе смазки "вместе с топливом".
Масляный туман, образующийся после испарения бензина, должен оседать на трущихся узлах, смазывая их, после чего сгорать. В действительности же, масло полностью не сгорает, а жирным черным нагаром оседает на деталях цилиндропоршневой группы: на холостых и малых оборотах, когда двухтактному двигателю требуется в три-четыре раза меньше масла, чем при работе на полной нагрузке, содержание масла не уменьшается, в результате чего нагарообразование и выброс несгоревших углеводородов резко возрастают.
Последствия же этой давно устаревшей системы смазки "на прогар" знакомы каждому водномоторнику; неоправданно большой расход масла выхлоп а виде шлейфа синего дыма за кормой, его токсичность. Когда горючее стоило "пятачок", а чистота природы не стоила ничего, на это мало обращали внимание. Но затем и экономика, и экология (именно экология) стали ставить все более жесткие требования. Сейчас, когда уже конструктивными полумерами эти наболевшие проблемы не осилить, ведущие мотостроительные фирмы пришли к необходимости кардинальных решений.
Специалисты корпорации "ОМС" приняли для себя трудное и одновременно поистине революционное решение: в "меню" для двухтактного мотора готовить каждое блюдо отдельно и на отдельной кухне: отдельно готовятся топливный и воздушный заряды, отдельно - смазка.
Знакомясь с системой смазки FFI нового поколения "Эвинрудов"/"Джонсонов", вспомним, что вообще-то "ОМС" впервые выпустила моторы с раздельной смазкой "VRO" (Variable Ratio Oiling) еще в 1983 году. Поскольку бензин и масло находятся в разных баках и предварительно не смешиваются. с тех пор применяют для подобных систем термин "раздельная смазка". Подача масла в зависимости от числа оборотов варьируется в пределах от 0.6 до 2%; маслонасос подает необходимое для данного режима работы мотора количество масла. Этим достигается ощутимая экономия масла, уменьшается выброс углеводородов вместе с выхлопными газами, исчезает опасность замасливания и закоксовывания свечей при работе на полном газу. Однако масло подается в топливопровод и опять-таки смешивается с бензином - еще до поступления смеси в карбюратор. Полной преграды для дыма и вредных выбросов опять не получилось. На переходных режимах, например, при резком сбросе газа, когда в топливной камере еще сохраняется богатая маслом смесь, мотор начинает работать с дымным выхлопом, увеличенным расходом масла. К тому же, двигатель, оснащенный системой "VRO" весьма привередлив к качеству масла, поскольку его впрыск происходит не при каждом обороте коленвала.
Для новейшей модели "Evinrude 150 FFI" разработана действительно совершенно отдельная система смазки, при которой масло под высоким давлением дозированно - в зависимости от нагрузки - подается непосредственно к коренным подшипникам коленвала и к другим важным узлам трения, но при этом совершенно не выносится в камеру сгорания.
Масляная система "FFI" также управляется "E.C.U." и приводится в действие простым насосом диафрагменного типа, работающим от пульсации давления в картере двигателя. Система состоит из расходного масляного бачка, масляного насоса, трех золотников, регулятора давления и маленького поршневого насоса. Поступающее из бачка масло нагнетается насосом в гидравлический цилиндр. Регулятор давления управляет давлением масла, изменяя его в пределах от 0.70 до 1.05 кгс/см2 в зависимости от давления в картере.
Электромагнитный насос, управляемый "E.C.U." на основании данных о положении дроссельной заслонки, количестве оборотов двигателя и продолжительности его работы на данном режиме, отвечает за распределение масла в картере и за подмешивание его к топливу, проходящему через фильтр паров, в определенном соотношении. Каждый из трех золотников, движущихся поступательно при срабатывании электромагнитного реле, обеспечивает маслом два цилиндра Золотники сообщаются с дозировочным блоком масла, который непосредственно связан со своей парой цилиндров. На деле это обозначает следующее: как только через обмотку катушки начинает протекать ток, золотники, втягиваясь, перемещаются наверх. Распределительная канавка заполняется свежим маслом молниеносно, поскольку объем находится под давлением. Как только система "E.C.U." отключает обмотку электромагнита, золотники (каждый - своей пружиной) возвращаются в дозировочный блок масла. Доставленная таким образом в блок доза масла подается через свой штуцер к узлам кривошипного механизма и там распыляется. Диафрагма бензонасоса связана с маленьким поршневым насосом, производительность которого на несколько порядков меньше. Очень небольшое количество масла, как мы упомянули выше, примешивается к парам, выходящим из фильтра паров.
Если в работе масляной системы сенсоры "Е.С.U." выявляют какие-либо отклонения, подается сигнал "Низкий уровень масла". Это означает, что электромагнитный насос уже сделал четыре полных цикла, необходимое для максимальной нагрузки количество масла в скором времени поступит. Сбой может быть устранен автоматически.
Если же отклонения в работе не исчезают. то системой "E.C.U." на пульте управления будет включен сигнал "Нет масла!" и двигатель может быть заблокирован.
Остается добавить, что фирмой выпускается специальное масло TC-W3.
FICHT-FFI-новое сердце мотора
Система прямого впрыска в корне изменила характер двухтактного подвесного мотора. Через впускной канал и картер теперь проходит только чистый воздух, заряд которого осуществляет продувку цилиндров от отработавших газов. Поршень двигаясь к ВМТ, сжимает только воздух. Воздух будет смешиваться с топливом уже в камере сгорания, причем соотношение воздух-топливо в смеси можно изменять в очень широких пределах, обеспечивая высокую экономичность и мощный прием. Впрыск горючей смеси под высоким давлением и воспламенение топливного заряда происходят лишь после того, как выпускные окна будут закрыты. Этим исключаются потери свежего топлива, выносимого вместе с продувочным воздухом, а выбросы несгоревшего топлива сводятся к минимуму.
Карбюратор отсутствует. Да ему и не под силу было бы обеспечить такое равномерное и тончайшее распыление топливного заряда, какое дает прямая инжекция чистого топлива. Температура сгорания горючей смеси приближается к 2000°С; при столь высоких значениях температуры теплотворная способность топлива максимально возможно преобразуется в механическую энергию поршня.
Как готовится этот топливный заряд?
Диафрагменным насосом низкого давления, работающим от пульсации давления в картере, бензин из бака через топливный фильтр-водоотделитель нагнетается к фильтру паров. Электрический топливный насос высокого давления, который смонтирован на этом фильтре, подает топливо дальше - к форсункам.
Форсунки имеют входной и выходной топливопроводы. Регулятор давления, расположенный на конце выходного топливопровода, обеспечивает давление в системе 2.8 кгс/см2 и связан с фильтром паров, образуя таким образом замкнутый контур. Каждая форсунка со стороны входа топлива имеет внутренний возвратный клапан-отсекатель, который в момент впрыска топлива поддерживает в системе рабочее давление.
Основанная на микропроцессорах система управления мотором "E.C.U.", управляет и всей работой топливной системы. Только после поступления входных параметров от различных сенсоров, система "E.C.U." определяет точный момент впрыска топлива и его количество. Как уже отмечалось, впрыск происходит только после полного закрытия выпускных окон - и так до ста раз в секунду с давлением более 1720 кПа. Небольшое количество топлива проходит через форсунку и служит для охлаждения инжекторов.
Фильтр паров охлаждается водой и выполняет четыре задачи: он является центральным распределителем топлива; сюда возвращается неиспользованное топливо; отсюда выдуваются лишние пары топлива; именно здесь подмешиваются малые дозы масла, необходимые для нормальной работы форсунок.
Система впрыска топлива контролируется также специальным датчиком, следящим за появлением в топливе воды (он смонтирован на топливном фильтре-водоотделителе), и вакуумным переключателем. который контролирует насос. В случае сбоя в работе системы немедленно будет дан предупреждающий сигнал: "Вода в топливе", "Засорение топлива" или "Перегрев двигателя".
Персональный компьютер рядом с гаечным ключом
Все сигналы о сбое в работе любой из систем сохраняются в памяти "E.C.U." и могут быть запрошены через встроенную контрольную систему при помощи светодиодов и словаря или обычного персонального компьютера, который через специальный штепсельный разъем присоединяется к мотору.
Поэтому механику в ремонтной мастерской рядом с набором гаечных ключей и отверток необходимо иметь персональный компьютер, при помощи которого он сможет через центральный электронный орган "Е.С.U." восстановить симптомы болезни и поставить правильный диагноз.
Конечно, все имеет свою цену. Уже с конца прошлого года модель "Эвинруда 150 FFI" можно было приобрести в Европе. В Германии, например, цена новинки 21.995 DM, что на 2.500 DM больше, чем стоимость привычных моделей той же мощности. При учете гарантированных экологических и прочих преимуществ новинки такая "наценка" отнюдь не кажется значительной.
Остается добавить, что мы упомянули только самое главное из нового оснащения и без того исключительно надежного и высокоэффективного подвесного мотора. Сказанное выглядит фантастикой, но это - реалии уже сегодняшних высоких технологий и достижений науки и техники, без внедрения которых моторостроителям не удастся перешагнуть рубеж XXI века.
Дебют нового мотора "Evinrude 150 FFI" в России
В рамках показа подвесных лодочных моторов нового поколения модель "Evinrude Intruder Ficht" мощностью 150 л.с. экспонировалась на стенде компании "Торговый дом "Царь" на третьей Московской Международной Выставке "Лодки, катера и яхты 97".
Подвесной мотор был установлен на мотолодке "Zodiac YL600RL" длиной 6 м, которая стояла в специальном надувном бассейне, наполненном 30 тоннами воды. Сотрудники стенда регулярно запускали мотор. При этом о работе двигателя можно было догадаться лишь по контрольной струе воды системы охлаждения. Не было характерного дыма, не было привычного шума двигателя. Еще более удивительным было наблюдать молодых аквалангистов, купающихся в том же бассейне и демонстрирующих подводное снаряжение итальянской фирмы MARES.
С той самой поры, когда в 1909 г. Оле Эвинруд изобрел самый первый подвесной мотор, торговая марка "Evinrude" удерживает лидирующее положение пионера в выпуске лодочных подвесных моторов. В 1997 г. Outboard Marine Corporation {"ОМС") — производитель двигателей "Evinrude" и "Johnson" совершила революцию в конструкции подвесных лодочных моторов, выпустив первый двигатель, использующий принцип прямой инжекции топлива типа Ficht.
Стремление создать экологически чистый двигатель с малым расходом топлива и масла уже давно стимулировало развитие в первую очередь четырехтактного моторостроения. Все ведущие производители выпускают четырехтактные лодочные моторы в диапазоне мощностей 5-15 л.с., а некоторые ("Honda") — даже до 100 и более л.с. Однако все четырехтактные двигатели, в свою очередь, страдают двумя главными недостатками — повышенным весом и сложностью конструкции, а следовательно, сложностью обеспечения надежности и более высокой ценой.
На практике существует один способ уменьшения расхода топлива и снижения уровня вредных выбросов — оптимизация сгорания воздушно-топливной смеси в цилиндре. Радикальным решением данной проблемы является принудительный, под большим давлением, впрыск порции топлива в камеру сгорания, позволяющий максимально приблизиться к равномерному распределению топливного облака по объему камеры и к практически полному его сгоранию в момент электрического поджига.
Поэтому с развитием общей технологии производства к этому же принципу прямой инжекции топлива обратились и взгляды разработчиков двухтактных двигателей как более динамичных, простых и надежных, чем четырехтактные, с максимальными значениями удельной мощности (на единицу веса).
Двигатели, использующие прямую инжекцию топлива, созданы в настоящее время уже всеми ведущими компаниями: Brunswick Corp. ("Mercury", "Mariner"), "ОМС" ("Evinrude", "Johnson") и концерном "Yamaha". Однако конструкции этих систем принципиально различны. Наиболее простое и эффективное решение (FFI — Ficht Fuel Injection) разработано именно компанией "ОМС". В конкурирующих системах используется примерно в два раза большее количество разнообразных узлов (это воздушный компрессор с ремнем привода от маховика, топливный и воздушный инжекторы на каждый цилиндр, по ларе топливных и воздушных трубопроводов высокого давления с дополнительными инжекторами на каждый блок цилиндров и микропроцессорный контроллер). В системе FFI использованы только инжекторы топлива и контроллер — и все!
Таким образом, новые двигатели FFI с торговыми марками "Evinrude" и "Johnson" сохраняя простоту, надежность и динамику двухтактных моторов, потребляют при этом на 35% меньше, чем обычно, топлива и в два раза меньше масла, практически бездымны и выбрасывают в 5 (пять!) раз меньше вредных продуктов сгорания.
В настоящее время выпускаются двигатели FFI мощностью 150 л.с. Уже в самом ближайшем будущем система FFI будет обычной для двигателей вплоть до 15 л.с., что невозможно при использовании других систем инжекции из-за большой потребляемой ими мощности.
Революционное значение разработанной системы подтверждено целым рядом наград, присужденных компании "ОМС" за последние два года: это призы журнала "Popular Mechanic Magazine" за 1996 г., Международной торговой выставки IMTEC-96 в Чикаго и журнала "Motor Boating & Sailing Magazine" за 1997 г. Эти призы присуждались международными жюри, состоящими из признанных специалистов в соответствующих областях, ведущих журналистов, редакторов известных морских журналов, и являются высшей в мире степенью признания достижений разработчиков.