Рубрика «Эко ДВС»

22 февраля

Направления развития автомобильной экологии

Бюро автомобильных технологий США (VTO), входящее в Министерство энергетики США (DOE), совместно с другими заинтересованными организациями разработало широкую программу по улучшению топливной экономичности автомобилей.

Программа включает краткосрочные и долгосрочные мероприятия, целью которых являются:

  • снижение к 2020 году ежедневного потребления топлива на 12,5%;
  • улучшение топливной экономичности новых транспортных средств для достижения среднего корпоративного уровня выбросов СО2 90 г/км (3,8 л/100 км) для легковых автомобилей и 126 г/км (4,3 л/100 км) для пикапов.

 

Направления улучшения топливной экономичности автомобилей с ДВС включают в себя:

  1. Разработка высокоэффективных низкотемпературных катализаторов отработанных газов. Ставится задача создания новых технологий, которые позволят преобразовывать выхлопные газы с эффективностью не менее 90% при рабочей температуре около 150° С. Усилия должны быть сосредоточены на снижении выбросов оксидов азота (NOx), неметановых органических газов (NMOG), углеводородов (HC), оксида углерода (CO) и твердых частиц (сажи).
  2. Двухтопливные технологии. Ставится задача разработать технологии, которые позволят снизить потребление нефти, по меньшей мере, на 50% путем заменения ее другими видами топлива и повышения эффективности ее использования. Это касается легковых автомобилей с ДВС как с искровым зажиганием (бензиновых), так и с воспламенением от сжатия (дизелей). Такие двигатели должны обладать способностью работать на 100% бензине или дизтопливе, на 100% альтернативном топливе, а также на их смеси в любой пропорции. При этом они должны удовлетворять действующим нормам выбросов загрязняющих веществ и быть совместимыми с существующими системами очистки выхлопных газов и системами бортовой самодиагностики.
  3. Улучшение свойств топлива. Повышение октанового и цетанового числа топлив широко обсуждалось в последние годы как средство улучшения процесса сгорания горючей смеси в цилиндрах ДВС. Предполагается снизить таким способом потребление нефти не менее, чем на 25%.
  4. Снижение потерь на трение в трансмиссии и уменьшение износа. Как ожидается, с помощью этих мер можно добиться снижения расхода топлива не менее, чем на 2% для современных автомобилей, и на 4% для будущих.
  5. Разработка и внедрение передовых технологий двигателей и трансмиссий. Это направление включает исследования в области улучшения процесса сгорания топливной смеси, механики двигателя, снижения трения, контроля выбросов, свойств топлива, применямых материалов, электрических цепей, уменьшение дополнительной нагрузки. Двигатели могут разрабатываться для работы в гибридных системах, в паре с вариаторами и передовыми трансмиссиями. Все эти меры должны привести к снижению потребления топлива бензиновыми автомобилями не менее, чем на 35%, а дизельными – не менее, чем на 50%. При этом новые автомобили должны укладываться в грядущие нормы выбросов загрязняющих веществ.
  6. Содействие развитию и коммерциализации новых автомобилей, которые имеют высокую общую энергоэффективность и топливную экономичность.
16 февраля

Инновации от Schaeffler

Североамериканское отделение немецкой компании Schaeffler убедительно доказывает, что возможности повышения топливной экономичности и снижения вредных выбросов автомобилей с ДВС еще далеко не исчерпаны. Весь спектр собственных топливосберегающих технологий и систем она воплотила в обычном среднеразмерном кроссовере, сократив расход топлива на 15%. Это позволяет уже сейчас уложиться в стандарты CAFE (Corporate Average Fuel Economy), которые будут введены в США к 2021 году. Примечательно, что в автомобиле не использовано ни единой технологии, применяемой на гибридах и электромобилях.

 

Основными системами, которые обеспечивают существенное снижение расхода топлива, являются модуль теплового управления и автоматически отключаемый полный привод. Далее следуют инновационная система «старт-стоп» с постоянно работающим стартер – генератором и запорный клапан, позволяющий автомобилю двигаться накатом с выключенным двигателем, что устраняет затраты энергии на привод насосов. Свою лепту в улучшение топливной экономичности также вносят меры по снижению трения в ременных приводах, распределительном и балансирном валах и оптимизация работы гидротрансформатора АКПП.

Муфта отключения AWD, в зависимости от дорожных условий, отсоединяет привод неиспользуемой оси, обеспечивая до 6% экономии топлива на шоссе. В условиях городского движения такого же снижения расхода топлива позволяет достичь постоянно подключенный стартер-генератор с односторонним сцеплением. Кроме того, он очень удобен в ситуациях, когда водитель неожиданно меняет решение. Например, после того как двигатель уже остановился, водитель вдруг решает двигаться дальше. В этом случае на помощь приходит и запорный клапан клапан, сохраняющий гидравлическое давление в системе смазки, что способствует более быстрому запуску мотора.

Дополнительно 1% улучшения топливной экономичности достигается благодаря применению модуля теплового управления. Он помогает двигателю выйти на оптимальную рабочую температуру в кратчайшее время и поддерживает тепловой баланс других узлов автомобиля.

Дальнейший путь — гибридизация

В Schaeffler считают, что гибридизация – наиболее перспективный путь дальнейшего развития автомобилей с ДВС. Доказательством служит все более широкое распространение и совершенствование систем «старт-стоп» и рекуперации энергии. Дополнительные электрические узлы в силовой установке помогают ДВС работать в оптимальном диапазоне и компенсировать недостаток производительности на малых оборотах.

 

Специалисты Schaeffler разработали высокопроизводительную низковольтную силовую систему, которая позволит экономически эффективным способом уложиться в еще более жесткие стандарты CAFE, которые будут введены к 2025 году. Ее центральным элементом является компактный 48-вольтовый электрический модуль привода, включающий сцепление и планетарную передачу. Он может быть размещен как на передней, так и на задней оси. Использование низкого напряжения существенно снижает затраты по сравнению с высоковольтными гибридными системами, а также позволяет избежать всех проблем, связанных с применением высокого напряжения. Даже с 48-вольтовой системой можно достичь высокого уровня рекуперации энергии торможения, используемой для подзарядки батареи. Этой дополнительной энергией питается электрический модуль, что, в конечном итоге, приводит к снижению расхода топлива.

 

Электрический привод мощностью 12 кВт, подобно гибридным автомобилям, является единственным источником энергии при движении с малой скоростью. 48-вольтовый модуль также используется при движении в жилых зонах, на парковках и в других ситуациях, когда автомобиль должен двигаться с низкой скоростью. Электропривод также работает при движении с постоянной скоростью в широком рабочем диапазоне, в то время как ДВС отключается.

Электропривод помогает ДВС, обеспечивая дополнительный крутящий момент, например, при трогании на светофоре, т.е. при ускорении. Высокая производительность 48-вольтовой системы также означает, что электрический модуль открывает новые возможности для рекуперации энергии. Благодаря ему кинетическая энергия, высвобождаемая при торможении, не преобразуется в тепло и рассеивается, а возвращается обратно в бортовую электрическую систему в виде дополнительной электрической энергии. Электрический модуль оснащен двумя зубчатыми передачами, с помощью которых выбирается оптимальный режим рекуперации.

Компактная цилиндрическая конструкция модуля позволяет легко встраивать его в трансмиссию без потери емкости багажника или топливного бака. 48-вольтовая система работает независимо от стандартной 12-вольтовой бортовой системы. Благодаря более высокому напряжению, она обладает и более высокой производительностью. Это позволяет ввести в конструкцию автомобиля дополнительные электромеханические элементы, улучшающие работу сцепления, рулевого управления, стабилизатора поперечной устойчивости, самонастраиваемой подвески, системы распределения крутящего момента между ведущими колесами и т.п.

Использование 48-вольтовой системы является отличным решением для начального уровня гибридизации. При небольших дополнительных затратах она обеспечивает уменьшение расхода топлива и снижение выбросов CO2 до 15%. Общая же экономия, с учетом перечисленных в первой части статьи технических решениях, составит до 30%.

26 января

Свежий взгляд на создание моторов

Чтобы отсрочить закат эры ДВС, производители всеми силами пытаются его усовершенствовать. Причем иногда применяют совершенно неожиданные решения.

Например, инженеры Mazda создали бензиновый (Skyactiv-G) и дизельный (Skyactiv-D) моторы, степень сжатия у которых одинакова и равна 14:1. Как же им это удалось?

Skyactiv-G от Мазды

Идея повышения степени сжатия бензинового ДВС состоит в снижении средней температуры цикла. Чем ниже температура горючей смеси, тем сильнее ее можно сжать без возникновения детонации. Для этого, прежде всего, изменили систему выпуска, применив настроенные каналы по схеме 4-2-1. При этом выхлопные газы, не мешая друг другу, поочередно выбрасываются в атмосферу. Это улучшает продувку цилиндров, так как количество газов, попадающих в них, уменьшается. Соответственно, газы не повышают температуру горючей смеси. Снижение доли ОГ с 8 до 4% позволяет повысить степень сжатия на три единицы. А непосредственное распыливание бензина в цилиндре, охлаждая воздух, делает возможным увеличить сжатие еще на единицу. Помогают улучшить газообмен система изменения фаз на впускном и выпускном распредвалах. Для меньшего нагрева камер сгорания уменьшили диаметр цилиндров, одновременно увеличив ход поршня. Все эти меры в совокупности привели к повышению крутящего момента на низких оборотах. Японцы называют такой подход downspeeding в противоположность распространенному сейчас downsizing. Экономия топлива и снижение вредных выбросов достигается за счет того, что такой мотор работает на оборотах в среднем на 15% ниже, чем обычный. Японцы утверждают, что их атмосферный Skyactiv-G объемом два литра по экономичности превосходит 1,4-литровый турбомотор.

Skyactiv-D от Мазды

В отношении дизелей маздовцы считают, что в обычных турбированных моторах высокие давление и температура не позволяют впрыскиваемому топливу равномерно перемешаться с воздухом. В результате неполного сгорания в ОГ повышается содержание оксидов азота и сажи. В моторе Skyactiv-D степень сжатия снижена, и топливо впрыскивается намного раньше. Поэтому оно успевает полностью сгореть, что позволяет уложиться в Евро-6 без дорогостоящих приспособлений для нейтрализации NOх. Есть и еще два существенных преимущества. Во-первых, так как впрыск и воспламенение происходят гораздо раньше, то фаза расширения, а вместе с ней и КПД мотора увеличиваются. Во-вторых, расширяется рабочий диапазон – до 5200 об/мин.

Двигатель имеет два последовательных турбокомпрессора, создающих давление наддува 1,4 атм. Уверенный запуск при низких температурах призвана обеспечить система изменения фаз газораспределения. На выпускном распредвале установлены специальные «прогревочные» кулачки. Во время такта впуска выпускные клапаны приоткрываются, чтобы часть ОГ попала обратно в цилиндр, подогревая смесь. После прогрева система переключает клапана на обычные кулачки. Общий вес мотора снижен на 10%. А крутящий момент и экономичность снижены на 20% по сравнению с прежним «хитом» Мазды MZR-CD 2.2.

А над чем собираются работать японцы дальше? Теперь в их планах создание бензинового двигателя с воспламенением от сжатия!

BMW — моторы из кубиков

Признанный лидер двигателестроения BMW решил собирать моторы по модульному принципу. Немецкие специалисты пришли к выводу, что исходя из таких критериев как КПД, тепловой баланс, механические и насосные потери, идеальный рабочий объем одного цилиндра должен составлять пол-литра. А идеальная камера сгорания должна содержать расположенную по центру форсунку непосредственного впрыска, свечу и четыре клапана. Имея «идеальный» цилиндр, двигатели можно строить, как из кубиков. Отличаться они будут только турбонаддувом. В трехцилиндровом будет одна турбина, в четырехцилиндровом – двухпоточная, а в шестицилиндровом – битурбо. Унифицированы будут цепной привод распредвалов, системы изменения фаз газораспределения и ходы клапанов.

Но это еще не все. Инженеры рассчитали, что в равных по объему турбированных бензиновых и дизельных моторах можно использовать одни и те же алюминиевый блок цилиндров, поддон картера, коленвал, шатуны, масляный насос, привод ГРМ и навесное оборудование.

Таким образом, легко регулировать объемы выпуска двигателей в зависимости от спроса, а на одной производственной линии можно выпускать до четырех их моделей. Главными направлениями дальнейшего развития в BMW считают экологичность и экономичность.

12 января

Двигатель ESTEC с самым высоким в мире тепловым КПД

Инженеры Toyota разработали способ применения цикла Аткинсона, используемого в тойотовских гибридах с 1997 года, для работы в двигателях обычных, не гибридных автомобилей. Цикл Аткинсона с высокой степенью сжатия — обычный способ, используемый в ДВС гибридов для повышения тепловой эффективности. Однако обратной стороной высокой степени сжатия является снижение крутящего момента, недостаток которого в гибридах компенсирует электромотор. Тепловая эффективность при малых нагрузках намного важнее для обычных ДВС, чем для ДВС, работающих в гибридных силовых установках. Похоже, что разработчикам Toyota удалось решить эту проблему.

Результатом их работы стал новый 1,3-литровый рядный четырехцилиндровый бензиновый двигатель ESTEC (Economy with Superior Thermal Efficient Combustion). На русский язык это определение можно перевести как «Экономия с высокоэффективным сгоранием». По заводской классификации мотор получил обозначение 1NR-FKE. Он развивает мощность 99 л.с. — это на 4 л.с. больше, чем мощность двигателя 1NR-FE, используемого в тойотовских автомобилях А и В-сегмента, таких как Yaris, iQ и др. Термический КПД ESTEC достигает 38% — это столько же, как и у ДВС, используемых в гибридах. Кроме того, при малых нагрузках ESTEC имеет улучшенную на 11% топливную экономичность.

Термический КПД современных моторов находится в пределах 36%, в то время как у ДВС, используемых в гибридах, он превышает 38%. Для достижения такого показателя в гибридных ДВС, кроме цикла Аткинсона, применяется охлаждаемая система EGR, электрический насос ОЖ и технологии низкого трения.

В будущем такие же решения будут использоваться и в обычных ДВС, а термический КПД обоих типов двигателей превысит 40%. Считается также, что улучшение тепловой эффективности позволит преодолеть слабость атмосферных бензиновых ДВС при малых нагрузках. Превышение 40% уровня КПД будет достигаться, в основном, применением охлаждаемых EGR и развитием технологий сжигания бедных смесей. В дополнение к этим основным направлениям рассматриваются также технологии снижения трения и улучшение систем подъема клапанов.

Базовые компоненты ESTEC

Основными конструктивными особенностями ESTEC являются цикл Аткинсона, геометрическая степень сжатия 13,5:1 и система EGR с жидкостным охлаждением (обычный 1NR-FE имеет степень сжатия 11,5:1 и внутреннюю рециркуляцию выхлопных газов). Система бесступенчатого регулирования фаз VVT-iE с электроприводом является ключевым элементом в реализации цикла Аткинсона. Она позволяет быстро и с высокой точностью регулировать подъем впускных клапанов и избежать затруднений, возникающих из-за разницы температуры и давления масла при холодном пуске и на прогретом моторе.

В системе рециркуляции выхлопных газов используется эффективный охладитель и быстродействующий клапан. Кроме того, впускной трубопровод, охладитель и клапан непосредственно соединены между собой для уменьшения образования конденсата от охладителя.

Оптимизированная форма впускных каналов обеспечивает быстрое наполнение цилиндров, а создаваемое завихрение способствует улучшенному сгоранию смеси. Чтобы удовлетворить требованиям, как к производительности, так и к расходу топлива, выпускной коллектор выполнен по схеме 4-2-1. Это позволяет уменьшить количество остаточных газов в цилиндрах двигателя.

Восстановление производительности

Увеличение степени сжатия до 13,5:1 снизило крутящий момент со 104 Нм до 96 Нм. Чтобы восполнить эту потерю, Toyota применила выпускной коллектор измененной формы, уменьшающий количество остаточных газов и температуру в цилиндре; новую водяную рубашку, поддерживающую оптимальную температуру поверхности цилиндров; оптимизацию времени впрыска. Комбинация этих мер (из которых главную роль играет измененный выпускной коллектор) позволила повысить крутящий момент до 105 Нм.

При малых нагрузках из-за работы охлаждаемой EGR происходят чрезмерные колебания крутящего момента. Для устранения этого недостатка используются система регулирования выпускных клапанов (Exhaust VVT) и внутренняя рециркуляция выхлопных газов. При средних и больших нагрузках работа Exhaust VVT приостанавливается, а шаг клапана системы EGR увеличивается.

Охлаждение является эффективной мерой против снижения крутящего момента у двигателей с высокой степенью сжатия. Однако одновременно это приводит к увеличению расхода топлива из-за повышения трения и потерь на охлаждение. В обычных моторах верхняя часть цилиндра нагревается больше, чем нижняя. Из-за неравномерного нагрева увеличивается трение в цилиндре. В ESTEC новая водяная рубашка со специальной прокладкой выравнивает температуру в разных частях поверхности цилиндра, снижая потери на трение и возможность возникновения детонации.

25 декабря

Энергосберегающие масла: меньше трение — чище воздух

Уменьшение расхода топлива – один из путей снижения вредных выбросов автомобилей. Уменьшить расход помогают энергосберегающие моторные и трансмиссионные масла. При работе двигателя часть вырабатываемой им энергии идет на преодоление сил трения в нем самом. Так, в городских условиях потери составляют в среднем 35%. Еще больше они возрастают при езде с непрогретым двигателем или при низких температурах (зимой).

Наибольшие потери происходят в подшипниках коленвала, клапанном механизме и цилиндро-поршневой группе. Но режимы смазки в этих парах трения различны. Подшипники смазываются в гидродинамическом режиме, когда трущиеся поверхности разделены достаточным слоем масла. Снизить трение здесь можно путем уменьшения вязкости масла. В парах же «кулачок-толкатель» и «цилиндр-поршень» (вблизи мертвых точек) режим смазки – граничный. Это значит, что масляная пленка настолько тонка, что она не в состоянии разделить трущиеся детали. В таких условиях потери не зависят от вязкости масла, и снизить их можно за счет присадок – модификаторов трения.

Таким образом, главное отличие энергосберегающих масел – меньшая вязкость. Это позволяет снизить трение в гидродинамическом режиме. Они также имеют высокий индекс вязкости, то есть, их вязкость с изменением температуры меняется в узких пределах. А чтобы вязкость изначально жидкого энергосберегающего масла при высоких рабочих температурах не снизилась ниже допустимого предела, в него добавляют загущающие присадки. При повышении температуры молекулы таких присадок «раскрываются» и масло становится более густым. Для работы в граничных условиях в энергосберегающие масла добавляют модификаторы трения. Они представляют собой твердые (графит, дисульфид молибдена) или жидкие химические соединения. Благодаря ним на трущихся поверхностях образуется покрытие, напоминающее мягкий ворс, легко сминающийся в любом направлении. Это помогает существенно снизить коэффициент трения.

В маркировке энергосберегающих масел согласно американской классификации API после указания класса вязкости по SAE и категории по условиям применения ставят буквы ЕС (Energy Conserving). Все масла, имеющие индекс по API не ниже SL, должны обладать энергосберегающими свойствами. В европейской классификации АСЕА энергосберегающие масла выделены в отдельные категории, обозначаемые А1-02, А5-02 (для бензиновых двигателей) и В1-02, В5-02 (для легковых дизелей). По американско — японской классификации ILSAC все масла, обозначаемые GF-I, GF-2 и GF-3, относятся к энергосберегающим.

Энергосберегающие масла могут изготавливаться на любой основе – минеральной, полусинтетической и синтетической. Современные малозольные масла позволяют увеличить срок службы каталитических нейтрализаторов и сажевых фильтров в дизелях. Существует ошибочное мнение, что энергосберегающие масла обладают увеличенным сроком службы. На самом деле это не так. Для «долгоиграющих» масел нужен другой пакет присадок, прежде всего противоокислительных. Поэтому неверно и обратное мнение о том, что масло с увеличенным сроком службы является энергосберегающим.

6 декабря

Фазы и экология

В теории для наполнения цилиндра горючей смесью и выпуска отработанных газов клапаны должны открываться точно в верхней или нижней мертвых точках. На практике же это приходится делать заблаговременно. Причем на разных оборотах двигателя время открытого состояния должно быть разным. Но время и высота подъема клапанов раз и навсегда заданы формой кулачков распредвала, представляя собой компромисс между высоким крутящим моментом на низких оборотах и высокой мощностью на высоких оборотах. Чтобы оптимизировать наполнение и очистку цилиндров двигателя в разных режимах работы были созданы системы изменения фаз газораспределения.

Как двигают фазы

У разных производителей существуют различные конструкции таких систем. Одни изменяют время подъема клапанов, другие – высоту подъема, а третьи – и то, и другое. Системы изменения фаз могут устанавливаться только для впускных клапанов или и для впускных, и для выпускных. В настоящее время используется три способа изменения фаз газораспределения.

Первый способ — поворот распредвала по ходу вращения с ростом оборотов двигателя. Таким образом, обеспечивается более раннее открытие клапанов. Основная деталь таких систем – фазовращатель (другое название – гидроуправляемая муфта). Он представляет собой ротор, смонтированный в шкиве распредвала, между которыми есть полости. Эти полости по сигналу контроллера двигателя через электромагнитный клапан заполняются маслом, что приводит к повороту распредвала. Угол поворота зависит от того, какая именно полость заполнена. Фазовращатель в большинстве случаев устанавливается только на впускной распредвал, на некоторых системах – и на выпускной.

Описанный способ используется в системах VANOS и Double VANOS от BMW, VVT-i и Dual VVT-i(Variable Valve Timing with intelligence) от Toyota, VVT(Variable Valve Timing) от Volkswagen, VTC(Variable Timing Control) от Honda, CVVT(Continuous Variable Valve Timing) от Hyundai, Kia, Volvo, General Motors, VCP(Variable Cam Phases) от Renault.

Второй способ – применение кулачков разного профиля на разных режимах работы. На малых оборотах используются кулачки, обеспечивающие «узкие» фазы, то есть малые высоту подъема и время открытия клапанов. С ростом оборотов по команде блока управления происходит переключение на «широкофазные» кулачки. Таким образом, фазы меняются ступенчато, а не плавно, как в предыдущей системе. Зато, кроме фаз, регулируется и высота подъема клапана.

Разнопрофильные кулачки используют в своих системах: VTEC (Variable Valve Timing and Lift Electronic Control) от Honda, VVTL-i (Variable Valve Timing and Lift with intelligence) от Toyota, MIVEC (Mitsubishi Innovative Valve timing Electronic Control) от Mitsubishi.

Третья, самая совершенная группа систем, плавно регулирует высоту подъема клапанов. Главное достоинство таких систем в том, что они позволяют отказаться от дроссельной заслонки на впуске. Тем самым существенно снижаются насосные потери и расход топлива. Впервые такая система под названием Valvetroniс была применена BMW. В ней между распредвалом и клапаном расположен дополнительный рычаг, один конец которого давит на коромысло клапана, а второй соединен с эксцентриковым валом. Проворачивая этот вал с помощью электромотора, система управления тем самым меняет наклон рычага и его плечо. Увеличение плеча приводит к увеличению подъема клапана и количества воздуха, попадающего в цилиндры. Высота подъема регулируется в пределах от 0,5 до 12 мм.

Вслед за BMW аналогичные системы создали Valvematic от Toyota, VEL (Variable Valve Event and Lift System) от Nissan, MultiAir от Fiat, VTI (Variable Valve and Timing Injection) от Peugeot.

В системе MultiAir используется один распредвал, который приводит и впускные, и выпускные клапана. Но если выпускные клапана механически управляются кулачками, то на впускные воздействие от кулачков передается через специальную электрогидравлическую систему. Именно в ней и состоит новизна. Впускные кулачки нажимают на поршни, а те через электромагнитный клапан передают усилие на рабочие гидроцилиндры, которые уже воздействуют на впускные клапана. Главный узел – именно клапан, регулирующий давление в системе. Он имеет только два положения: открыт-закрыт. Если он открыт, давление в системе отсутствует, и усилие на клапан не передается. Поэтому, управляя моментом и длительностью открытия электромагнитного клапана за то время, пока кулачок воздействует на поршенек, можно добиться любого алгоритма открытия впускных клапанов. А значит, ширину фаз можно плавно регулировать от 0 до 100%. Максимальная ширина фазы определяется профилем впускного кулачка распредвала.

А какое отношение все вышеописанное имеет к экологии? Системы изменения фаз газораспределения, оптимизируя процесс сгорания топлива, тем самым снижают его расход, а, значит и количество вредных выбросов.

21 ноября

Отключаем цилиндры

Система управления цилиндрами предназначена для отключения части цилиндров при работе двигателя на небольших нагрузках. При этом снижается расход топлива и, соответственно, выброс токсических веществ. Однако есть и недостатки: увеличивается вибрация и шум, двигатель испытывает дополнительные нагрузки.

Практика эксплуатации свидетельствует о том, что автомобили работают в режиме максимальной мощности не более 30% времени. То есть, по большей части двигатель работает с неполной нагрузкой и большими насосными потерями. Особенно актуально это для многоцилиндровых моторов.

Технически отключение цилиндров реализуется прекращением подачи топлива и закрытием впускных и выпускных клапанов. Но если отключить форсунки не представляется большой проблемой, то осуществить отключение клапанов довольно сложно. Здесь каждый производитель выбирает свой путь.

Впервые такая система появилась еще в 1981 году на автомобилях Cadillac. Закрытие клапанов в ней осуществляли специальные электромагнитные катушки, установленные на коромыслах. По команде блока управления катушки срабатывали, обеспечивая неподвижность коромысел.

В 1999 году подобная система появилась и на автомобилях Mercedes. В ней закрытие клапанов осуществлялось коромыслами особой конструкции. Они состояли из двух рычагов, соединенных между собой фиксатором в единое целое. При активации системы электромагнитный клапан смещал фиксатор, и рычаги разъединялись, не имея, таким образом, возможности воздействовать на клапана. Клапана удерживались пружинами в закрытом состоянии, а блок управления прекращал подачу топлива в отключаемые цилиндры.

С 2004 года на автомобилях концерна GM используется система отключения цилиндров, в которой разъединение распредвала и клапана осуществляется толкателем специальной конструкции. По команде блока управления срабатывает электромагнитный клапан, и давление масла сдвигает блокирующий штифт, отключая толкатель.

В 2005 году Honda применила свою систему Variable Cylinder Management (VCM), которая на разных режимах способна отключать разное количество цилиндров. При равномерном движении на небольшой скорости отключается 3 цилиндра из 6. В переходном режиме с максимальной мощности к неполной нагрузке система обеспечивает работу 4 цилиндров. Основу конструкции составляют коромысла и распредвал с кулачками различной формы. В зависимости от режима работы коромысла включаются или выключаются с помощью управляемого фиксатора. Система VCM взаимодействует с системой регулирования фаз и дополнена системами снижения вибраций двигателя и подавления шума в салоне.

Все вышеописанные системы использовались в многоцилиндровых моторах. Volkswagen же разработал аналогичную систему для своего четырехцилиндрового двигателя 1,4 TSI. В ней отключаются только впускные клапаны. За основу взята система изменения высоты подъема клапанов Valve Lift, применяемая в двигателях Audi. Разница состоит в том, что впускной распредвал оснащен, кроме обычных кулачков, кулачками нулевой, а не «половинной» высоты. Четыре из восьми кулачков на впускном распредвале могут перемещаться по команде блока управления, осуществляя, таким образом, переход с обычных на «нулевые». Срабатывает система в диапазоне оборотов от 1400 до 4000 об/мин при крутящем моменте от 25 до 75 Нм. Отключаются два цилиндра, обеспечивая экономию в среднем 0,4 литра на 100 км. При движении с постоянной скоростью около 50 км/ч на третьей или четвертой передаче можно снизить расход на 1л/100 км. Активация системы осуществляется от датчика педали акселератора, при этом не происходит увеличения шума и вибраций.

Свою собственную систему отключения цилиндров Cylinder on demand создала и Audi. Она базируется на фирменной же системе регулирования высоты подъема клапанов Audi valvelift. Применяется Cylinder on demand на V-образных "восьмерках", где она отключает 4 цилиндра, и на "четверках", где из работы "выводятся" два цилиндра. Экономия топлива может достигать до 1 литра на 100 км пробега.

26 октября

Снижение объема ДВС как средство уменьшения вредных выбросов

Снижение рабочего объема (downsizing) – одно из направлений современного моторостроения, призванное снизить расход топлива, сохранив при этом качественные характеристики. Расчет даунсайзинга прост: меньше расход – меньше вредных выбросов, что позволяет уложиться в растущие экологические требования.

В городском цикле значительную часть времени двигатель работает на холостом ходу. При этом расход топлива пропорционален литражу двигателя. Здесь экономия налицо. А как обеспечить «тяговитость» и мощность в переменных режимах и при больших нагрузках? Рассмотрим для примера двух ярких представителей «даунсайзинга» – моторы от Фольксвагена 1,4 TSI и двухцилиндровый TwinAir от Фиата объемом всего 0,9 литра. Оба были признаны двигателями 2011 года в своих категориях.

VW 1,4 TSI — двойной наддув.

Данные немецкого мотора впечатляют: 170 л.с. и 240 Н/м в диапазоне от 1750 до 4500 об/мин. Таким образом, с литра объема снимается 121 л.с.! Секрет – в оптимальном применении двойного наддува: механическим компрессором и турбиной. Как известно, компрессор, приводимый от коленвала, снижает экономичность, но отлично работает на низких оборотах. Турбонагнетатель повышает КПД, однако начинает работать только со средних оборотов. При частичных нагрузках ни тот, ни другой не нужны.

Что же придумали конструкторы Фольксвагена? На холостом ходу привод компрессора отключен, мотор работает в «атмосферном» режиме. При увеличении оборотов подключается компрессор «Рутс», создающий давление до 170 кПа. Если водитель продолжает давить «на газ», в дело подключается и турбина. Совместно с компрессором они работают в диапазоне от 1000 до 2400 об/мин. Двухступенчатый наддув позволяет ликвидировать турбояму на частичных нагрузках, когда силы отработанных газов недостаточно для резкого ускорения. А вот когда обороты станут выше 3400 об/мин, приводной компрессор отключается. Чтобы он не создавал сопротивления на впуске, воздух поступает к лопастям турбины в обход его.

Кроме двойного наддува, в двигателе применен непосредственный впрыск топлива и регулируемы фазы газораспределения. Все это, вместе взятое, позволило создать мотор, по мощности сравнимый с «атмосферником» вдвое большего объема при гораздо меньшем потреблении топлива.

MultiAir — революция в фазовращении.

Мотор TwinAir с турбонаддувом построен с применением технологии Multiair и при объеме 875 куб.см выдает 85 л.с. и 145 Н/м! «Изюминка» итальянского мотора – в регулировании количества подаваемого в цилиндры воздуха путем изменения момента открытия и высоты подъема клапанов. При этом дроссельная заслонка во впускном тракте отсутствует. Система Multiair – электрогидравлическая. Между кулачком распредвала и впускным клапаном расположена камера с поршнем, в которой под высоким давлением находится масло. Кулачок, вращаясь, двигает шток поршня, и давление масла открывает клапана. А вот величину давления в камере, а, следовательно, и высоту подъема клапана, можно изменять с помощью электроклапана. Электроклапан, в свою очередь, управляется электронным блоком.

Алгоритм работы зависит от текущего режима работы двигателя:

  • при запуске двигателя ход клапанов минимален;
  • на низких оборотах клапаны открываются и закрываются дважды;
  • на средних режимах клапаны закрываются с опережением;
  • в режиме резкого ускорения клапаны закрываются немного раньше конца такта;
  • при оборотах максимальной мощности происходит полное открытие клапанов.

 

Таким образом, достигается наилучшая эффективность сгорания топлива и, следовательно:

  • повышаются мощность и крутящий момент;
  • снижается расход топлива;
  • снижается содержание токсических веществ в выхлопных газах.

 

Система Multiair может устанавливаться как на атмосферные, так и наддувные двигатели.

18 октября

«Экологические» системы двигателя

Некоторые системы современного двигателя созданы лишь из соображений экологии. Они никак не улучшают его работу, а предназначены только для уменьшения выброса вредных веществ. К ним относятся система вентиляции картера и система улавливания паров бензина.

Система вентиляции картера

При работе двигателя часть отработанных газов, прорываясь через зазоры между поршневыми кольцами и стенками цилиндра, попадает в картер. В результате этого в картере повышается давление, что приводит к ускоренному окислению масла и выдавливанию его через сальники. Особенно характерна такая ситуация для изношенных моторов. Поэтому газы необходимо выводить. Но так как они токсичны, то их не просто выбрасывают в атмосферу, а смешав с воздухом, дожигают в цилиндрах. Для этого служит система принудительной вентиляции картера.

Основной ее частью является клапан. Воздух из впускного тракта через шланг системы вентиляции поступает в картер, где смешивается с картерными газами, а затем через клапан снова направляется во впускной коллектор. Производительность системы зависит от нагрузки двигателя. При малых оборотах разряжение на впуске высокое, плунжер клапана системы вентиляции открыт немного, поэтому и количество пропускаемых картерных газов невелико. С ростом оборотов разряжение падает, и клапан открывается на большую величину – соответственно и увеличивается объем пропускаемых картерных газов.

Для того, чтобы вместе с картерными газами в систему впуска не попадали частицы моторного масла, в системах вентиляции картера современных двигателей применяется маслоотделитель. Все маслоотделители, вне зависимости от конфигурации, по своей конструкции являются лабиринтными, т.е. газы, проходящие через это устройство, меняют направление своего движения, и частицы масла, как более тяжелые, оседают на стенках лабиринта, откуда стекают в поддон картера по специальным каналам.

Система улавливания паров бензина

Пары бензина токсичны не меньше выхлопных газов, и поэтому экологические нормы категорически запрещают их попадание в атмосферу. Для выполнения этого требования предназначена система улавливания паров бензина.

Основные ее части – адсорбер и электромагнитный клапан. Адсорбер представляет собой фильтр из активированного угля. Электромагнитный клапан имеет два положения: «включен» и «выключен». Он срабатывает по команде блока управления двигателем. Пары бензина из топливного бака через шланг попадают в адсорбер и задерживаются им. При работе двигателя контроллер периодически открывает электромагнитный клапан продувки. В результате пары топлива, накопленные в адсорбере, попадают во впускной коллектор и далее сжигаются в цилиндрах двигателя.

На холодном двигателе или при работе на холостом ходу адсорбер не продувается, чтобы не обогащать смесь и не вызывать тем самым нестабильную работу мотора и повышение уровня токсичных выбросов.

    

21 сентября

Система EGR

Exhaust Gas Recirculation – система рециркуляции выхлопных газов, предназначенная для снижения выбросов окислов азота. Она устанавливается и на бензиновые (кроме турбированных), и на дизельные двигатели. В первых при этом снижаются насосные потери и риск детонации, а работа вторых становится более «мягкой». Кроме того, снижается расход топлива.

Стоит отметить, что EGR зачастую превращается в головную боль для наших автомобилистов. Система довольно капризна, при ее работе (особенно на отечественном топливе) клапан EGR, впускной коллектор и находящиеся в нем датчики покрываются нагаром, что приводит к нестабильной работе двигателя. Клапан EGR – деталь дорогостоящая, поэтому многие автовладельцы вместо его замены прибегают к глушению всей системы.

Принцип работы EGR

Идея состоит в подмешивании части выхлопных газов к воздуху во впускном коллекторе. Повышенное содержание окислов азота в ОГ вызывается высокой температурой в камере сгорания. Катализатором реакции горения, как известно, является кислород. Выхлопные же газы, смешанные с воздухом, уменьшают содержание в нем кислорода. В результате температура сгорания смеси и, соответственно, токсичность ОГ понижаются.

Устройство системы EGR

Основная деталь системы – клапан EGR. Именно с его помощью регулируется количество отработанных газов, подаваемых обратно на впуск. Если принцип работы во всех автомобилях одинаков, то конструктивное исполнение системы может отличаться в зависимости от того, как управляется клапан. В первом типе систем открытие клапана регулируется электрическим способом на основании показаний датчика положения, который передает сигнал контроллеру двигателя. Второй способ управления – электропневматический. Управляющий сигнал формируется на основании показаний датчиков массового расхода воздуха, давления во впускном коллекторе или датчика температуры воздуха на впуске.

На некоторых двигателях в системе EGR применяется дополнительное охлаждение газов. Для этого клапан рециркуляции включается в штатную систему охлаждения. Такая мера позволяет еще больше снизить выброс оксидов азота.

Как работает система EGR

Это зависит от типа двигателя. В дизелях клапан открывается на холостом ходу и обеспечивает до 50% воздуха на впуске. С ростом оборотов клапан пропорционально закрывается до полного закрытия при максимальной нагрузке. При прогреве мотора клапан также полностью закрыт. В бензиновых двигателях EGR не включается на холостом ходу и на оборотах максимального крутящего момента. При низкой и средней нагрузке система обеспечивает 5-10% подаваемого на впуск воздуха.

Неисправности системы EGR

Неполадки в работе системы EGR чаще всего возникают из-за отложений нагара на пластине или гнезде клапана. Нагар возникает из-за некачественного топлива, нарушений в работе системы питания и системы вентиляции картера, износа цилиндропоршневой группы, неисправности турбокомпрессора, неисправностей датчиков, от которых зависит управление клапаном.

Засорение клапана приводит либо к его заклиниванию, либо к замедленному срабатыванию. Заклинивание может происходить как при открытии, так и при закрытии клапана. В первом случае результатом будет неустойчивая работа бензинового двигателя на холостом ходу, снижение мощности дизеля. Во втором у бензинового мотора вырастет расход топлива, а дизель будет работать более «жестко». Замедление открытия клапана не приводит к ярко выраженным последствиям и в основном отражается на работе двигателя на холостом ходу.