Category Archives: Эко ДВС

Двигатель, заглохни!

В условиях городского движения в Европе доля работы двигателей на режиме холостого хода составляет до 35 %. Система старт-стоп, автоматически выключающая мотор при остановке автомобиля, позволяет существенно снизить выброс вредных веществ и обеспечивает экономию топлива до 8-9 %.

В использовании система очень проста. На автомобилях с механической КПП двигатель глушится как только автомобиль остановится, водитель отпустит педаль сцепления и переведет рычаг коробки в нейтральное положении. При выжимании педали сцепления система запускает двигатель. На машинах с автоматической КПП двигатель выключается при полной остановке и удержании педали тормоза нажатой. Запускается двигатель при отпускании педали тормоза.

Алгоритм работы системы старт-стоп

Система старт-стоп приводится в состояние готовности только при определенных условиях:

  • закрыты капот и дверь водителя;
  • пристегнут ремень безопасности водителя;
  • скорость движения выше 4 км/ч;
  • нет прицепа.

Если хотя бы одно из условий не выполнено — система не работает.

Двигатель не будет заглушен системой в следующих случаях:

  • температура ОЖ ниже 25 градусов (двигатель не прогрет);
  • обороты двигателя выше оборотов холостого хода;
  • температура в салоне автомобиля отличается от заданной климатической установке больше чем на 8 градусов (салон не прогрет);
  • включен обогрев лобового стекла;
  • недостаточен заряд АКБ для дальнейшего запуска двигателя;
  • неисправен генератор;
  • рулевое колесо повернуто на большой угол (например, маневрирование на стоянке);
  • остановка произошла после выключения заднего хода;
  • сажевый фильтр находится в режиме регенерации (для дизелей);

Система самостоятельно запускает двигатель (без участия водителя) при таких условиях: после остановки автомобиль начал катиться (на склоне) и скорость превысила 3 км/ч; выполнились условия, изложенные в предыдущем абзаце.

Варианты конструкций системы старт-стоп

Существует несколько вариантов конструктивного исполнения системы старт-стоп. В первом случае используются «усиленные» элементы электрооборудования: более износостойкий стартер с усиленным приводом и АКБ со стекловолокнистым наполнителем, пропитанным электролитом, выдерживающая большее число циклов заряда-разряда.

Второй вариант — использование в системе реверсивного генератора, который еще называют стартер-генераторм. Его назначение ясно из названия. Для его работы используется специальный приводной ремень и натяжитель, позволяющий ротору вращаться в обоих направлениях. В отличие от первого варианта для управления такой системой старт-стоп применяется отдельный блок управления.

Японцы из Мазда разработали свой вариант системы, который не требует применения специальных узлов. Идея довольно остроумная — используя данные датчика положения коленвала остановка мотора производится в тот момент, когда поршни оказываются в оптимальном для дальнейшего запуска положении. При запуске в цилиндр, находящийся на такте рабочего хода, подается топливо и искра, что облегчает работу стартера и уменьшает время запуска.

Совместно с системой старт — стоп может применяться и система рекуперативного торможения.

Система бортовой самодиагностики

Система EOBD проверяет следующие элементы.

Каталитический нейтрализатор. Блок управления двигателя сравнивает значения напряжения на датчиках кислорода, установленных на входе и выходе нейтрализатора, и вычисляет соотношение, по которому оценивается его эффективность работы. Если это соотношение выходит за пределы заданного диапазона, система управления двигателя определяет наличие неисправности каталитического нейтрализатора, а в памяти неисправностей регистрируется соответствующий код. Кроме того, о неисправности сообщается водителю посредством сигнальной лампы токсичности отработавших газов.

Лямбда-зонды. Системой EOBD проводится: диагностика нагревателя лямбда-зонда, проверка времени реакции датчика на входе в каталитический нейтрализатор, проверка предела регулирования датчика на выходе из каталитического нейтрализатора, проверка датчика на выходе из каталитического нейтрализатора в режимах ускорения и замедления.

Система вентиляции топливного бака. Если большое количество топлива связывается в фильтре с активированным углём, топливовоздушная смесь обогащается путем подмешивания этого связанного фильтром топлива к впускаемому воздуху. В обратном случае смесь обедняется. Это изменение регистрируется датчиком на входе в каталитический нейтрализатор и служит подтверждением правильной работы системы вентиляции топливного бака.

Обнаружение пропуска воспламенения для каждого цилиндра может проводиться двумя методами:

Метод обнаружения неравномерности в работе двигателя. Датчики частоты вращения коленчатого вала отслеживают неравномерности вращения, вызванные пропуском воспламенения. По этим данным, используемым совместно с сигналом от датчика положения распределительного вала, блок управления двигателя определяет, какой цилиндр является источником проблемы, регистрирует неисправность в памяти и включает сигнальную лампу токсичности отработавших газов.

Метод мгновенного анализа. Этот метод предполагает сравнение неравномерной частоты вращения коленчатого вала, возникающей из-за пропуска воспламенения, с заданными расчётными входными величинами в блоке управления двигателя на основе данных от датчика частоты вращения коленчатого вала и датчика положения распределительного вала.

Если существует опасность повреждения каталитического нейтрализатора в случае пропуска воспламенения, а кривая скорости находится в диапазоне опасной нагрузки на двигатель, сигнальная лампа токсичности отработавших газов начинает мигать. Подача топлива в соответствующий цилиндр отключается.

Рециркуляция отработавших газов. В момент подачи отработавших газов во впускной коллектор датчик давления во впускном коллекторе определяет увеличение давления (т.е. уменьшение разрежения). Блок управления двигателя сравнивает значение изменения давления с объемом поданных отработавших газов и выводит из этого значения величину, обеспечиваемую системой рециркуляции отработавших газов.

Система подачи вторичного воздуха. Датчик на входе в каталитический нейтрализатор (широкополосный датчик) используется для проверки работы системы впуска вторичного воздуха.

Диагностика предельного давления наддува. Датчик давления наддува передает данные в блок управления двигателя, который определяет неисправность. Но регистрации информации в памяти в этом случае может оказаться недостаточно. Необходимо также отключить турбонагнетатель для предотвращения повреждения двигателя. Для этой цели выпускной клапан турбонагнетателя открывается, и отработавшие газы направляются в обход турбонагнетателя.

Электронная система регулирования мощности. Проверяются датчик положения педали акселератора и датчик угла открытия дроссельной заслонки. О наличии неисправностей сообщает сигнальная лампа электронной системы регулирования мощности (EPC). Если неисправность остаётся и в последующих циклах работы двигателя, система EOBD также включает сигнальную лампу токсичности отработавших газов.

Шина данных CAN. Каждый блок управления двигателя получает информацию о других блоках управления, которые обмениваются информацией по шине данных CAN. Если минимально допустимое количество сообщений не было получено, регистрируется неисправность.

Самодиагностика. Для обеспечения нормальной работы электрических устройств, влияющих на состав отработавших газов, система EOBD непрерывно проверяет их состояние. Кроме того, во время движения производится регулярная диагностика всех систем, влияющих на состав отработавших газов. Результаты диагностики отражаются в коде готовности. Код готовности используется в качестве подтверждения того, что диагностика была выполнена до конца и без ошибок. Этот код не предоставляет информации о том, какие неисправности были обнаружены в системе. Для генерирования и считывания кода готовности можно воспользоваться тестером автомобильных систем, прибором для считывания кодов несправностей, информационно-измерительной системой диагностики.

Системы нейтрализации выхлопных газов

При современном уровне развития техники наиболее эффективным способом снижения токсичности выхлопа является нейтрализация токсичных компонентов отработавших газов с использованием химических реакций окисления и (или) восстановления. С этой целью в выпускную систему двигателя устанавливают специальный термический реактор (каталитический нейтрализатор). Постоянное повышение экологических требований к выбросам вредных веществ заставляет автопроизводителей совершенствовать системы нейтрализации.

Системы нейтрализации бензиновых двигателей

Еще при введении норм Евро-3 в методику испытаний добавили режим холодного пуска: измерения производятся сразу же после запуска двигателя при температуре -7 градусов. При отрицательных температурах смесь нужно сильно обогащать – количество СО и СН при этом в выхлопных газах резко возрастает. А не успевший прогреться до рабочей температуры каталитический нейтрализатор практически бездействует.

Для решения этой проблемы было найдено несколько способов. Первый, сравнительно простой – расположить нейтрализатор не под днищем автомобиля, а поближе к выпускному коллектору. Так появились катколлекторы, в которых два узла объединены в один. Для более быстрого прогрева их изготавливают не из чугуна, а из тонкой стали. Чтобы уменьшить потери тепла предусматривается теплоизоляция.

Ускорить прогрев нейтрализатора можно и другим способом – добавить в выхлопные газы воздуха с одновременным обогащением топлива. Таким образом «лишняя» горючая смесь, догорая вне цилиндра, повышает температуру отработанных газов, а они, в свою очередь, быстрее нагревают нейтрализатор. В двигателях с непосредственным впрыском того же эффекта добиваются подачей дополнительной порции бензина во время рабочего хода. Есть и третий способ – разогрев нейтрализатора электрическим термоэлементом.

Повысить точность работы системы нейтрализации удалось добавлением второго датчика кислорода. Первый предназначен для контроля качества смеси – богатая она или бедная. А по показаниям второго контроллер более точно корректирует работу системы топливоподачи. Еще более совершенными являются широкополосные датчики – они способны определять, насколько соотношение воздуха и бензина отличается от стехиометрического.

Произошли изменения и в материале изготовления сот нейтрализатора. Мы привыкли к тому, что их изготавливают из керамики. Но она имеет ряд недостатков – в силу своей хрупкости не переносит тряски и ударов, быстро разрушается некачественным топливом или в случае нарушений в работе ЭСУД. В настоящее время все больше применяются соты из металлической проволоки. Они медленнее прогреваются и имеют меньшую рабочую поверхность, зато легко переносят механические воздействия и высокие температуры. Очень важно также то, что металлические соты создают намного меньшее сопротивление потоку выхлопных газов.

Еще одну проблему пришлось решать для современных двигателей с непосредственным впрыском, которые способны работать на бедных смесях. При этом достигается заметная экономия топлива, однако количество оксидов азота в выхлопных газов также значительно возрастает. Обычный нейтрализатор не в состоянии с ними справиться. Поэтому в выпускную систему дополнительно вводится NO-накопитель. Конструктивно он практически не отличается от обычного нейтрализатора, за исключением веществ, которыми покрываются его соты. Оксиды калия, стронция, циркония, кальция, лантана, бария задерживают оксиды азота. Периодически рабочая смесь обогащается, и накопленные вредные вещества выжигаются, разлагаясь при этом на азот и углекислый газ. Располагается накопитель после нейтрализатора, так как для его работы нужна более низкая температура (около 400 градусов).

Системы нейтрализации дизельных двигателей

Другой подход нужен к дизелям. Здесь приходится бороться с углеводородами, оксидами азота и сажей (твердыми частицами). Сажевые фильтры придуманы давно. В первых конструкциях накопившуюся сажу периодически выжигали при температуре около 600 градусов, кратковременно обогащая смесь. Но при этом увеличивался выброс других вредных веществ. Поэтому в современных конструкциях сажевый фильтр объединили с окислительным нейтрализатором. Одно устройство и оксиды азота разлагает, и сажу сжигает, причем при более низкой температуре (около 250 градусов).

Для очистки выхлопа грузовиков дополнительно применяется технология SCR (Selective Catalitic Reduction). Ее суть – периодический впрыск в нейтрализатор раствора мочевины (AdBlue). Там она превращается в аммиак и вступает в реакцию с оксидами азота. В результате образуются безвредные азот и вода.

Однако возможности ученых и изобретателей не безграничны. Нормы Евро-6, по всей видимости, — предел, достижимый современными ДВС. А дальше придется искать другие экологически чистые источники энергии.

Экологичные моторы

Эра двигателей внутреннего сгорания (ДВС) еще далека от заката — такого мнения придерживается достаточно большое количество и специалистов, и простых автолюбителей. И для такого утверждения у них есть все основания. По большому счету, существует только две серьезных претензии к ДВС — прожорливость и вредный выхлоп. Запасы нефти не безграничны, а автомобили являются одними из основных ее потребителей. Выхлопные газы отравляют природу и людей и, накапливаясь в атмосфере, создают парниковый эффект. Парниковый эффект приводит к изменению климата и далее к другим экологическим бедам. Но не будем отвлекаться.

С обоими недостатками конструкторы и инженеры за последние десятилетия научились весьма эффективно бороться, доказав, что у ДВС есть еще неиспользованные резервы для развития и совершенствования.

Снижение расхода топлива

Существенное снижения расхода топлива было достигнуто благодаря внедрению в конструкцию ряда технических новшеств. Первым шагом стал переход от карбюраторных двигателей к впрысковым. Современные системы впрыска обеспечивают подачу топлива в цилиндры под высоким давлением, в результате чего происходит его тонкое распыление и хорошее смешивание с воздухом. В ходе такта сжатия топливо впрыскивается в камеру сгорания точно дозированными порциями до 5-7 раз. Использование наддува, увеличение числа клапанов, повышение степени сжатия также позволили более полно сжигать рабочую смесь. Оптимизация формы камеры сгорания, днища поршней, применение систем с регулируемыми фазами газораспределения способствовали улучшению процессов смесеобразования. В результате двигатель может работать на более бедных смесях, экономя топливо и снижая выброс вредных веществ.

Широко применяется в современных автомобилях система старт-стоп, дающая заметную экономию топлива в городском режиме движения. Эта система автоматически выключает двигатель при остановке автомобиля. Запуск производится при нажатии на педаль сцепления (в автомобилях с механической коробкой передач) или при отпускании педали тормоза (в автомобилях с автоматической коробкой).

Система рекуперации энергии торможения, впервые появившаяся на гибридных автомобилях, постепенно перекочевала и на обычные. Кинетическая энергия замедляющегося автомобиля, которая раньше растрачивалась на нагрев деталей тормозной системы, сейчас преобразуется в электрическую и используется для подзарядки аккумулятора. Расход топлива снижается до 3%.

Важным обстоятельством является то, что улучшение технических характеристик двигателей происходит при неуклонном снижении их объема. Например, фольксвагеновский мотор 1,4 TSI, признанный лучшим двигателем 2010 года, при объеме 1390 куб.см развивает мощность до 178 л.с. То есть, с каждого литра снимается 127 л.с.! Удельный расход топлива за прошедшие 20-30 лет был снижен почти в два раза. А раз снижается потребление топлива, соответственно снижается и выброс вредных веществ, да и запасы нефти можно растянуть на больший срок.

Очистка выхлопных газов

Все вышеперечисленные меры снижают вредные выбросы, так сказать косвенно, за счет улучшения технических характеристик. Но есть ряд систем, назначение которых — непосредственно уменьшать количество вредных веществ в выхлопных газах.

Прежде всего это, конечно же, каталитический нейтрализатор и система рециркуляции выхлопных газов EGR. В нейтрализаторе вредные вещества, содержащиеся в выхлопных газах, вступают в химическую реакцию с веществами, нанесенными на его соты. В результате реакции вредные вещества разлагаются на безвредные составляющие.

Система EGR (Exhaust Gas Recirculation) имеет более «узкую» направленность. Она предназначена для снижения содержания оксидов азота в выхлопных газах на режимах прогрева и резкого ускорения, когда двигатель работает на обогащенной смеси. Принцип работы системы состоит в перенаправлении части выхлопных газов обратно в цилиндры. Это вызывает снижение температуры горения и, соответственно, концентрации оксидов азота.

При работе двигателя не все выхлопные газы попадают в выпускную систему. Часть их прорывается в картер. Для предотвращения попадания в атмосферу используется система вентиляции картера. Пары бензина так же, как и выхлопные газы, содержат вредные для человека вещества. Поэтому на автомобилях устанавливается система поглощения паров бензина.

Все вышеперечисленные системы универсальны, то есть используются как на бензиновых моторах, так и на дизельных. Однако выхлопные газы дизеля отличаются повышенной концентрацией оксидов азота и сажи. Поэтому в выпускной системе дизелей дополнительно устанавливается сажевый фильтр. В некоторых конструкциях может использоваться система SCR (Selective catalytic reduction) или, в вольном русском переводе, впрыск мочевины. Принцип работы: водный раствор мочевины впрыскивается в выхлопную систему перед катализатором. В результате химической реакции почти половина высокотоксичных оксидов азота превращается в обычный безвредный азот.

К слову говоря, успехи в совершенствовании дизельных моторов впечатляют. Не будем далеко ходить за примерами. Взгляните на таблицу: в ней представлены победители двух самых престижных мировых наград World Green Car of the Year (Зеленый автомобиль года в мире) и Green Car of the Year (Зеленый автомобиль года).

Год World Green Car of the Year Green Car of the Year
2006 Honda Civic Hybrid (гибрид) Mercury Mariner Hybrid (гибрид)
2007 Mercedes-Benz E320 Bluetec (дизель) Toyota Camry Hybrid (гибрид)
2008 BMW 118d with Efficient Dynamics (дизель) Chevrolet Tahoe Hybrid (гибрид)
2009 Honda FCX (топливные элементы) Volkswagen Jetta TDI Clean Diese (дизель)
2010 Volkswagen Polo BlueMotion (дизель) Audi A3 TDI Clean Diesel (дизель)
2011 Chevrolet Volt (гибрид) Chevrolet Volt (гибрид)
2012 Mercedes S250 CDI BlueEfficiency (дизель) Honda Civic Natural Gas (газ)
2013 Tesla Model S (электромобиль) Ford Fusion (бензин EcoBoost)
2014 BMW i3 (электромобиль) Honda Accord (бензин, гибрид)

Видите? В одном конкурсе четыре раза побеждали дизели, в другом – дважды.

Перспективы ДВС

Суммируя сказанное можно утверждать, что в ближайшие десятилетия мы будем сосуществовать с двигателями внутреннего сгорания. Для этого есть весомые технические и экономические причины. Отлаженность технологии производства ДВС обеспечивает их сравнительно низкую стоимость. Совершенствование рабочего процесса позволило получить высокие характеристики и снизить вредные выбросы.

Рост продаж «зеленых» автомобилей во многом стимулирован правительственной поддержкой. Как только государство свертывает программу скидок на экологичные автомобили, спрос на них стремительно падает.

Многочисленные попытки создать достойную альтернативу ДВС пока не увенчались успехом. Если же даже принципиально новый двигатель вскоре появится, то для его внедрения в серийное производство понадобятся громадные капиталовложения и длительный промежуток времени.

Что выбрать: бензин или дизель?

Этот вопрос вызывает нескончаемые споры в среде автомобилистов. В помощь им специалисты Bosch разработали наглядную схему, демонстрирующую преимущества обеих типов ДВС и условия, при которых тот или иной из них предпочтительнее.

Дизельный автомобиль потребляет до 25% меньше топлива и меньше загрязняет окружающую среду, зато бензиновый имеет меньшую стоимость, его страхование и эксплуатация обходятся дешевле. Однако если годовой пробег превышает 15000 километров, покупать дизель выгоднее.

Выбор подходящего типа двигателя зависит также от класса автомобиля. Современные бензиновые силовые агрегаты весьма эффективны в компактных автомобилях, а нынешние дизеля позволяют достигать низкого расхода топлива и дают удовольствие от вождения в больших универсалах. Бензиновые моторы обеспечивают завидную приемистость и динамику «горячим» спортивным автомобилям, а высокий крутящий момент дизелей как нельзя кстати подходит большим внедорожникам.