Метка «снижение»

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.

23 августа

Снижение веса автомобилей

Законодательные ограничения выбросов вредных веществ заставляют автопроизводителей искать все новые и новые средства снижения расхода топлива. Одним из направлений является уменьшение массы автомобиля. Большой автомобиль имеет свои преимущества – прежде всего в безопасности и комфорте. Но вектор развития поменялся в направлении экономии и экологии. Поэтому внимание потребителя обращается на преимущества легкого автомобиля: его проще разогнать и остановить, им легче управлять, при ДТП он наносит меньший вред другим машинам. Снижение веса автомобиля на каждые десять процентов дает топливную экономию в шесть процентов.

Противники утверждают, что применение алюминия и углепластика повышает стоимость машины и производители, таким образом, больше заботятся о своей прибыли. А производство того же алюминия далеко не экологично, и сводит на нет снижение выбросов автомобилей.

Но факт остается фактом: все крупные автоконцерны взяли курс на снижение массы. И в первую очередь это касается кузова. Его облегчённая конструкция означает возможность применения более компактных тормозной системы и двигателя, топливного бака меньшего размера и так далее.

Облегчение кузовов идет по нескольким направлениям: оптимизация структуры кузова, применение легких материалов и внедрение новых производственных процессов. К последним относятся, например, технологии сваривания лазером, трением, или способы изготовления деталей методом горячей штамповки или гидроформовки.

Основные материалы для производства современных кузовов – это сверхпрочные стали и алюминий. Причем, прочность стали за последние два десятка лет возросла в разы, а алюминиевых сплавов – на четверть. Более широкое применение алюминия сдерживает его высокая цена. Но такие гиганты как Audi, BMW, Mercedes все большее внимание уделяют разработке и внедрению композитных материалов. Композит – материал, состоящий из армирующего и связующего компонентов. Армирующий придает детали прочность и жесткость, а связующий – нужную форму. Важным условием является расположение армирующих волокон строго в направлении приложенной нагрузки. Если же сила будет направлена поперек волокон, композит не выдержит. Поэтому если направления прикладываемых нагрузок известны, то, изменяя положение волокон, легко можно создать деталь с нужными характеристиками. Композиты имеют лучшие показатели жесткости и прочности, чем высокопрочная сталь. При ударном сжатии труба из армированного пластика не сминается, как стальная, а полностью разрушается. Удельная энергия, поглощаемая углепластиком, при этом вчетверо выше. Почему же такой идеальный со всех точек зрения материал до сих пор широко не применяется при создании кузовов? Причин несколько: высокая цена, низкая технологичность, нет существенного выигрыша в весе. Например, в углепластике нежелательно сверлить отверстия, так как прочность от этого падает намного больше, чем у стали.

Но, по всей видимости, технологический прорыв произойдет именно в композитных материалах. В BMW, например, считают, что несущие обшивки вполне можно изготавливать из двух тонких композитных листов, пространство между которыми заполнено алюминиевыми сотами или вспененным полимером. Капот для М3, изготовленный по такой экспериментальной технологии, весит всего 5 кг! Пока же из композитов изготавливают менее нагруженные элементы, например, разного рода кронштейны. При той же прочности они получаются гораздо легче стальных и алюминиевых. Углепластиковые тормоза вдвое легче стальных, но намного дороже, а главное, эффективны только после разогрева.

Резервы снижения веса инженеры находят не только в кузове. Например, инженерам Форда удалось снизить даже вес пластика! Суть идеи в том, чтобы при производстве пластиковых деталей производится инъекция пузырьков газа: они создают структуру, схожую с пористым шоколадом. Благодаря крошечным «пустым» пространствам деталь становится легче без потери целостности.

А теперь — только факты, наглядно иллюстрирующие изобретательность специалистов в вопросе снижения веса (без указания конкретных моделей и производителей).

Каталитический нейтрализатор весом 24 кг стал легче на 10 кг за счёт применения нержавеющей стали с высоким содержанием хрома. Замена электромоторчика в кондиционере позволила выиграть 317 грамм. Армирование алюминиевых панелей передка стекловолокном позволило снизить вес автомобиля на 100 грамм. Соединение алюминиевых профилей фрикционной сваркой облегчило машину на 600 грамм. Магний, примененный в конструкции рулевого колеса, сэкономил 400 грамм. В коробке передач замена отдельных алюминиевых деталей магниевыми отняло 760 грамм. Оптимизация расположения проводки помогла уменьшить её длину и сэкономить 2,68 кг, пластиковые корзины и неодимовые магниты динамиков акустической системы сберегли еще килограмм. Комбинация алюминиевой ступицы и чугунного диска позволила снизить массу на 20% по сравнению со стальными тормозами. Вставки из вспененного полимера привели к снижению веса колеса на 1,5 кг.