Tag Archives: двигатель

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.

«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.

    

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.