Метка «мотор»

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.

8 января

Колесо с мотором

Идея применения электромотора, интегрированного прямо в колесо, давно привлекает разработчиков гибридов и электромобилей. Электрические мотор-колеса наделяют машину невиданными возможностями и преимуществами.

Премущества мотор-колеса

Во-первых, отпадает необходимость в трансмиссии – сцеплении, коробке передач, приводных валах и дифференциалах. Это существенно снижает вес, а снижение веса – это дополнительная экономия топлива и снижение вредных выбросов. Кроме того, уменьшается стоимость автомобиля и снижаются затраты на его обслуживание и ремонт. Конструкция существенно упрощается, а, как известно, чем проще – тем надежнее. Отсутствие узлов трансмиссии освобождает больше полезного объема для размещения пассажиров и груза и позволяет конструкторам и дизайнерам шире проявить фантазию.

Во-вторых, машина получает отличную динамику: компактные и легкие электродвигатели развивают максимальный крутящий момент сразу же, как только на них подается питание. Значения крутящего момента могут достигать 700 Н*м.

В-третьих, управляемое мотор-колесо делает автомобиль чрезвычайно маневренным – ведь все колеса могут вращаться с разной скоростью и даже в разных направлениях. Машина способна разворачиваться на 360 градусов, парковаться в самых сложных условиях и мгновенно адаптироваться к качеству дорожного покрытия.

В-четвертых, значительно упрощается конструкция важнейшей для электромобилей системы регенерации энергии торможения.

В-пятых, ничто не сможет сравниться с мотор-колесом в обеспечении активной безопасности движения – любые алгоритмы систем ABS, ESP, Traction Control, Brake Assist и других легко программируются в блоке управления и могут воздействовать на каждое колесо индивидуально.

Недостатки мотор-колеса

Но на пути массового внедрения мотор-колес стоит и несколько нерешенных пока проблем. Главная из них – масса механизмов, помещаемых внутрь обода. Высокооборотные электродвигатели нуждаются в понижающем редукторе. Он должен быть компактным и герметичным. Редуктор добавляет несколько килограммов к общей массе колеса. Большая неподрессоренная масса, или, говоря проще, тяжелые колеса, резко снижают комфорт и управляемость, повышают износ подвески, передают на кузов больше вибраций. Оптимальный вес колеса для среднеразмерного автомобиля составляет от 10 до 30 кг без учета шины. Вписаться в эти жесткие рамки мотор-колесу очень непросто.

Практические разработки Michelin

Французская компания Michelin, всемирно известная не только своими разработками в области шин, но и исследованиями по созданию экономичного и экологически чистого транспорта, уже пятнадцать лет занимается разработкой инновационных мотор-колес для электромобилей. Мотор-колеса «Michelin active wheel» совмещают в одном узле тяговый электродвигатель, элементы управления и подвески и тормозной системы. Они могут применяться как в переднеприводном, так и в заднеприводном варианте, в зависимости от условий эксплуатации. И все это при общем весе 35 килограмм, что не превышает вес обычного колеса легкового автомобиля! Ключевое место в этой технологии моторизированного колеса занимает миниатюрный электродвигатель. Разработанный Michelin, на сегодняшний день он является самым компактным на рынке. Беспрецедентное соотношение его мощности к массе предоставляет уникальную возможность для уменьшения неподрессоренной массы ходовой части автомобиля. Подобные попытки предпринимались и другими производителями, например Mitsubishi и Siemens, но они так и не дошли до серийного производства.

12 июля

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.