Ми часто говоримо про смерть двигуна внутрішнього згоряння. Сюжет розгортається у світі, де водневі паливні елементи, гібриди, що підключаються, і повністю електричні автомобілі намагаються врятувати планету, в той час як надійний поршневий бензиновий двигун припадає пилом в музеї. Це чудова історія. Але здебільшого вона неправильна.
Подивіться реальні вулиці Америки. Ви не побачите багато Toyota Prius або Tesla Model 3. Ви побачите Ford F-150, Toyota Camry та Honda Civic. Бензин, як і раніше, є основним видом палива. Він не зникне найближчим часом. Чому? Тому що водії знають, як ним користуватися. Заправні станції є скрізь. Інфраструктура глибоко вписана в американський спосіб життя. Повний перехід в іншу технологію вимагає величезних витрат, пов’язані з труднощами і, відверто кажучи, те, чого хочуть більшість покупців цьому етапі.
Не означає, що старі бензинові двигуни є брудними реліктами 1970-х. Вони еволюціонували. Виробники впровадили в ці металеві короби, наповнені вогнем і тиском, стільки технологій, що сучасні двигуни стали легшими, чистішими та ефективнішими за своїх попередників. Так, вони, як і раніше, спалюють рідкі копалини палива. Так, вони, як і раніше, виділяють вуглекислий газ. Але розрив між сучасними рядними чотирициліндровими двигунами і карбюраторними V8 часів адміністрації Картера [істотний].
І ось математика, яка має значення. Невелике підвищення паливної ефективності може здатися нудним. Дві чи три милі на галон не потраплять у заголовки новин. Але коли ви застосовуєте ці невеликі прирости до 98 відсотків неелектричних автомобілів на дорогах, ефект стає величезним. Це скорочує імпорт нафти. Знижує викиди. Робить бензин доступним за ціною середнього водія, який не може дозволити собі електричний автомобіль за 40 000 доларів.
Одним з ключових інновацій, що підтримують життєздатність цієї системи, є зміни фази газорозподілу і хід клапанів.
Оптимізація дихання для ефективності
Уявіть двигун як дихальний механізм. Він всмоктує повітря, змішує його з паливом, стискає, спалахує і викидає гази, що відпрацювали. У звичайному двигуні впускні та випускні клапани керуються механічними кулачками на розподільчому валу, які періодично відкривають та закривають їх. Хоча це добре працює у широкому діапазоні швидкостей, це неефективно. На низьких швидкостях вам не потрібне так багато повітря. На високих швидкостях вам потрібна величезна кількість. Фіксовані фази газорозподілу – це компроміс, що призводить до втрати енергії.
На сцену виходить змінні фази газорозподілу (VVT). Ця технологія дозволяє комп’ютеру двигуна регулювати час відкриття та закриття впускних клапанів. Варіюючи фази, двигун може оптимізувати потік повітря для різних умов експлуатації.
Але фази – це лише половина справи. Змінний хід клапанів (VVL) управляє величиною відкриття клапана. Деякі системи використовують кілька профілів кулачків та перемикаються між профілем з малим ходом для крейсерського режиму та профілем з великим ходом для прискорення. Гідравлічні актуатори також можуть використовуватися для додаткового фізичного переміщення штока клапана.
Результат? Поліпшується відгук на педаль акселератора. Крутний момент на низьких оборотах збільшується. Це також значно підвищує паливну ефективність, оскільки двигун «дихає» саме тоді, коли це необхідно, без задушення чи перевантаження.
Реальний вплив на практиці
Ви можете поставити запитання, чому це важливо для вас на заправці. Це важливо, тому що VVT та VVL тепер є стандартним обладнанням для більшості нових бензинових двигунів. Саме тому ваш
Танці клапанів: чому статичний розподіл газорозподілу призводить до перевитрати палива
Більшість людей сприймають клапани двигуна просто як перемикачі. Відкрити. Закрити. Повторити. Однак у сучасних бензинових двигунах підхід до клапана як до статичного отвору може знижувати ефективність.
Ось реальність: у традиційній конструкції клапани відкриваються в один і той же час і на однакову величину (хід клапана) незалежно від того, що робить двигун. Незалежно від того, чи стоїте ви на холостому ходу біля світлофора чи їдете дорогою, впускні та випускні клапани працюють однаково.
Це створює невідповідність. Частота обертання двигуна (об/хв) вимірює швидкість обертання колінчастого валу, що рухається поршнями. Вона не пов’язана безпосередньо зі швидкістю автомобіля. Ви можете розігнатися до 110 миль на годину за 2000 об/хв або пробиратися через пробки на 3000 об/хв.
Подумайте про це як про ваш власний метаболізм. Спринт вимагає великої кількості кисню та калорій. Коли ви сидите на дивані, вам потрібна лише мала частка цієї кількості. Якщо змусити ваше тіло споживати однакову кількість повітря, незалежно від того, чи біжите ви марафон або спите, ви дихатимете марнотратно.
Двигуни внутрішнього згоряння стикаються з тією самою проблемою. Якщо клапани відкриваються однаково при низькому навантаженні (рух у крейсерському режимі) та високому навантаженні (розгін), двигун забиратиме більше повітряно-паливної суміші, ніж необхідно на низьких швидкостях. Надлишкове паливо може спалюватися марно або, що гірше, викидатися у вихлопну трубу без згоряння.
Змінюється фази газорозподілу і хід клапанів вирішує цю проблему, адаптуючи «дихання» двигуна в реальному часі. Змінюючи момент відкриття клапанів (фази) та ступінь їх відкриття (хід), двигун отримує рівно стільки повітря та палива, скільки потрібно для поточного навантаження.
Який результат? Ефективність бензинового двигуна може стати приблизно на 5% вище. Це не панацея, але в галузі, де маржа прибутку вкрай мала, а норми викидів жорсткі, кожен відсоток має значення.
4: Відключення циліндрів
Зміна фаз газорозподілу оптимізує дихання, але відключення циліндрів підвищує ефективність радикальніше, повністю відключаючи певні частини двигуна.
Логіка відключення циліндрів
Це та ж базова ідея, що й у систем із змінними фазами газорозподілу та висотою підйому клапанів. Іншими словами, двигуну потрібна різна кількість палива в залежності від роботи, що виконується.
Розглянемо двигун V8. Він має вісім циліндрів. При запуску двигуна всі вісім циліндрів працюють, спалюючи суміш палива та повітря для вироблення потужності. Більшість автомобілів із двигуном V8 оснащені саме такими агрегатами. Це пов’язано з тим, що більша кількість циліндрів, як правило, забезпечує більшу потужність. Саме тому такі двигуни встановлюють на спортивні автомобілі та великі вантажівки. Люди віддають перевагу двигунам V8, тому що вони забезпечують високу швидкість і здатні тягнути важкі вантажі. Однак більшість водіїв не роблять подібних дій постійно.
Тут на сцену виходить система відключення циліндрів. Якщо вони не потрібні, кілька циліндрів вимикаються. Коли автомобіль чи вантажівка рухається з постійною швидкістю без прискорення, частина циліндрів перестає працювати. Вони не підпалюють суміш, тому паливо не витрачається. Це заощаджує паливо.
Автомобільні виробники використовують цю технологію у транспортних засобах із двигунами V8 вже багато років. Тепер вона починає застосовуватись і в шестициліндрових двигунах. Вважається, що відключення циліндрів підвищує ефективність двигуна на 7,5%.
Пряме впорскування палива
Якщо відключення циліндрів спрямовано скорочення втрат, то пряме упорскування палива орієнтовано точність. У звичайних двигунах паливо впорскується у впускний колектор, де воно змішується з повітрям перед надходженням у циліндри. Пряме впорскування змінює правила гри, подаючи паливо безпосередньо в камеру згоряння.
Це дозволяє точніше контролювати склад суміші. Витрата палива знижується, оскільки можна використовувати біднішу суміш. Крім того, це дозволяє досягати вищих ступенів стиснення без ризику детонації, що покращує продуктивність. У результаті забезпечується ефективніша передача потужності та зниження викидів за рахунок максимальної ефективності.
Нагрійте суміш
Двигуни внутрішнього згоряння на бензині стають «розумнішими» щодо своїх паливних сумішей. Традиційно для займання суміші повітря та палива в циліндрі використовувалися свічки запалювання. Але є й інший спосіб. Нагріваючи та стискаючи паливо перед його надходженням у камеру згоряння, інженери можуть добитися займання без іскри. Це процес схожий на дизельний, але з бензиновою основою. Результат? Чистіше згоряння. Це ефективніше. Менше палива витрачається марно.
У Японії вже продаються автомобілі з двигунами, які працюють за цим принципом. Mazda Demio оснащена технологією, що збільшує ступінь стиснення до 14:1. Більшість стандартних бензинових двигунів цей показник становить близько 10:1. Додаткові зусилля окупились. Повідомляється, що Demio витрачає 70 миль на галон. Для тих, хто мислить у метричній системі, це 29,8 кілометра на літр.
Але є одна проблема. Збільшення ступеня стиснення створює ризик передчасного займання. Це детонація. Звучить погано, бо так воно й є. Щоб запобігти цьому хаосу, система прямого впорскування подає дрібнодисперсну хмару палива безпосередньо в циліндр. Зазвичай повітря та паливо змішуються до впуску. У цьому випадку паливний струмінь охолоджує камеру згоряння. Вона знижує температуру. Зменшує детонацію. Результат? Пряме впорскування палива підвищує ефективність двигуна на 12%.
2: Турбонаддув
Гонка за те, щоб вичавити більше потужності з двигуна меншого робочого об’єму, почалася не вчора, а сучасні рішення грають за іншими правилами. Старі турбокомпресори мали затримку (турбо-дір). Вони чекали, доки тиск вихлопних газів наросте, перш ніж розкручуватись. Ви натискаєте на педаль газу, чекаєте, а потім отримуєте приріст тяги. Сучасні агрегати менші за розміром. Вони обертаються швидше. Розрив у моменті, що крутить, заповнюється ще до того, як ви усвідомлюєте, що педаль була натиснута.
Це поєднання турбонаддува та ефективності. Примусово подаючи більше повітря в циліндр, можна спалювати більше палива ефективніше, але за менший час. Ви отримаєте відмінну динаміку розгону без додавання ваги і без полива. Йдеться не просто про переміщення повітря, а про наповнення циліндра. Технологія дозріла. Більше жодних затримок. Переваги у ефективності реальні.
Але турбонаддув це не тільки про продуктивність. Це ще й про відповідність екологічним стандартам. Навіть двигуни меншого обсягу можна поєднувати з турбокомпресором, щоб дотримуватися суворих нормативних вимог, зберігаючи при цьому чуйність. Водії отримують найкраще з обох світів. Регулятори одержують потрібні цифри. Двигун працює холодніше та ефективніше на крейсерських швидкостях і включається на повну потужність, коли це необхідно.
Проте є компроміси. Складність. Що більше деталей, то більше можливостей для поломок. Турбокомпресори додають тепло у вихлопну систему. Вони вимагають ефективніших рішень для охолодження. Якість олії стає більш важливою. Якщо машину не доглядати належним чином, турбіна вийде з ладу. При її поломці вона забирає з собою і двигун. Це гра з найвищими ставками. Виробники із задоволенням йдуть на цей ризик, оскільки показники витрати пального говорять самі за себе.
Як нагнітачі насправді економлять бензин
Це здається суперечливим. Коли ми думаємо про турбонаддув, ми зазвичай асоціюємо його з ревучими спортивними автомобілями, що витрачають паливо, а не з економічністю. У нас в голові виникає образ V8, що спалює гуму, а не дизельного седана, що економно витрачає паливо на шосе. Але фізика розповідає іншу історію.
Турбокомпресори – це по суті вентилятори, що приводяться в дію вихлопними газами. Відпрацьована енергія потоку вихлопних газів двигуна обертає турбіну, яка стискає повітря та нагнітає його в камеру згоряння. Це механічно еквівалентно прямому впорскування, але для повітря. Ступінь стиснення можна збільшити, заповнюючи циліндр великою кількістю кисню. Що ступінь стиснення, то вище ефективність згоряння.
Головний секрет не в тому, щоб зробити великий двигун ще більше. Це дозволяє маленькому двигуну виконувати функції великого. Саме тут ховається економія палива. Маленький турбований двигун видає таку ж потужність, як атмосферний V8, але споживає менше палива, тому що йому не потрібно переміщати такий самий об’єм металу і прокачувати стільки повітря, коли не потрібна повна потужність.
Ford довів, що ця логіка працює і з боку важких вантажівок. У 2011 році до лінійки F-150 було додано турбований V-6. Вони називають його Ecoboost. Ідея проста. Вам не потрібний V8 у пікапі, якщо ви можете подати достатньо повітря у маленький блок.
Цифри це підтверджують. Турбований V-6 EcoBoost 2011 року випуску F-150 розвиває 365 кінських сил і 420 фунт-футів моменту, що крутить. Він здатний буксирувати причіп масою 11300 фунтів. Для порівняння, базовий V-8 того ж року видає 360 кінських сил і 380 фунт-футів моменту, що крутить. За потужністю та крутним моментом турбований V6 перемагає. Він також перевершує його ефективності.
Тестування EPA показує, що повнопривідний EcoBoost витрачає 16/22 миль на галон у місті/на трасі. Базовий V-8 витрачає 15/21 миль на галон. Різниця невелика, але стабільна. Ви отримуєте більше тяги та кращі показники на заправці. Турбовані двигуни досягають цього за рахунок того, що рідше працюють на повному навантаженні. Вам не потрібні такі високі звороти, щоб виконати роботу.
1: Водій з легкою ногою
Економічність залежить не лише від того, що знаходиться під капотом. Все залежить від того, як ви керуєте автомобілем. Якщо ви сприймаєте педаль газу як спусковий гачок, турбонаддув вас не врятує.
Водії, які передбачають зупинки та підтримують постійну швидкість, отримають найбільшу вигоду від маленького двигуна. Турбокомпресори реагують на попит. Коли ви відпускаєте педаль газу, турбіна сповільнюється. Якщо ви втиснете педаль у підлогу, вона розкручується. Але якщо ви ведете плавно, ви можете залишатися в ефективному діапазоні.
Давайте розберемося, як розганятися. Швидкий розгін змушує турбіну працювати при вищому тиску наддуву та споживати більше палива. Плавний розгін знижує навантаження двигуна. Ключовим тут є економічність.
Не магія. Це фізика. Більше повітря означає більше потужності. Більше потужності в меншому обсязі означає меншу вагу та менше тертя. Найменше тертя означає менші втрати енергії у вигляді тепла. Менше тепла означає, що більше енергії використовується для руху автомобіля вперед.
Але якщо ви не робите цього, то в цьому немає нічого страшного.
Драйвер – головний фактор
Не вдавайте, що тільки технологія здатна вирішити проблему витрат на паливо. Щоправда, у тому, що найважливіший чинник економії палива не за лаштунками. Він у вас під ногою. Різке натискання на педаль витрачає більше палива, ніж у людини, яка плавно перебудовується в смугу. Саме тому на всіх етикетках із показниками витрати палива є невизначене попередження: «Витрата може змінюватись». Ви джокер.
Автомобільні виробники знають про це та намагаються впливати на ваші дії. Вони хочуть, щоб ви водили машину, як чернець. Як? Гейміфікація.
Подивіться на свою панель приладів. Зелений індикатор вашого Kia Forte або 2011 Honda Odyssey загориться. Все дуже просто. Цей індикатор увімкнеться, коли ви плавно розганяєтеся. Різко натиснули на педаль? Він гасне. Виробники хочуть, щоб ви ставилися до зеленого індикатора як високого результату в аркадній грі. Тримайте його увімкненим, щоб виграти. Результат? Двигун довше працює в оптимальному режимі, що підвищує ефективність та знижує витрату палива. Інші марки мають аналогічні Індикатори ефективності водіння, які використовують візуальний зворотний зв’язок, щоб допомогти вам виробити кращі звички.
Еко-режим: простий перемикач для зниження оборотів двигуна
На додаток до гри на панелі приладів, у вас є кнопка Еко-режим. Раніше вона була ексклюзивною функцією гібридів. Тепер вона проникає й у бензинові платформи.
Натисніть кнопку. Логіка автомобіля змінюється. Зокрема, коригуються характеристики перемикання передач. Замість того, щоб шукати передачу, яка змусить двигун ревти на високих оборотах, коробка передач перемикається на вищу передачу раніше. Обороти двигуна знижуються. Двигун обертається повільніше. Менше роботи – менше палива.
Чи працює це скрізь? Ні. Якщо ви спробуєте використовувати Еко-режим на трасі, ви можете зіткнутися із затримками. Hesitation при обгоні? Це правда. Двигун неохоче скидає передачі та шукає потужність. Але якщо ви їздите містом, де світлофори та лежачі поліцейські диктують вашу швидкість, це безперечно допоможе вам заощадити паливо.
Для отримання додаткової інформації про нові технології бензинових двигунів та інші пов’язані теми, перейдіть за посиланнями на наступній сторінці.
