Мы часто говорим о смерти двигателя внутреннего сгорания. Сюжет разворачивается в мире, где водородные топливные элементы, подключаемые гибриды и полностью электрические автомобили пытаются спасти планету, в то время как надежный поршневой бензиновый двигатель пылится в музее. Это красивая история. Но в основном она неверна.
Посмотрите на реальные улицы Америки. Вы не увидите много Toyota Prius или Tesla Model 3. Вы увидите Ford F-150, Toyota Camry и Honda Civic. Бензин по-прежнему является основным видом топлива. Он не исчезнет в ближайшее время. Почему? Потому что водители знают, как им пользоваться. Заправочные станции есть везде. Инфраструктура глубоко вписана в американский образ жизни. Полный переход на другую технологию требует огромных затрат, сопряжен с трудностями и, откровенно говоря, не то, чего хотят большинство покупателей на данном этапе.
Это не означает, что старые бензиновые двигатели являются грязными реликтами 1970-х годов. Они эволюционировали. Производители внедрили в эти металлические короба, наполненные огнем и давлением, столько технологий, что современные двигатели стали легче, чище и эффективнее своих предшественников. Да, они по-прежнему сжигают жидкие ископаемые виды топлива. Да, они по-прежнему выделяют углекислый газ. Но разрыв между современными рядными четырехцилиндровыми двигателями и карбюраторными V8 времен администрации Картера [существенен].
И вот математика, которая имеет значение. Небольшое повышение топливной эффективности может показаться скучным. Две или три мили на галлон не попадут в заголовки новостей. Но когда вы применяете эти небольшие приросты к 98 процентам «неэлектрических» автомобилей на дорогах, эффект становится огромным. Это сокращает импорт нефти. Снижает выбросы. Делает бензин доступным по цене для среднего водителя, который не может позволить себе электрический автомобиль за 40 000 долларов.
Одним из ключевых инноваций, поддерживающих жизнеспособность этой системы, является изменяемые фазы газораспределения и ход клапанов.
Оптимизация дыхания для эффективности
Представьте двигатель как дыхательный механизм. Он всасывает воздух, смешивает его с топливом, сжимает, воспламеняет и выбрасывает отработавшие газы. В обычном двигателе впускные и выпускные клапаны управляются механическими кулачками на распределительном валу, которые периодически открывают и закрывают их. Хотя это хорошо работает в широком диапазоне скоростей, это неэффективно. На низких скоростях вам не нужно так много воздуха. На высоких скоростях вам нужно огромное количество. Фиксированные фазы газораспределения — это компромисс, который приводит к потере энергии.
На сцену выходит изменяемые фазы газораспределения (VVT). Эта технология позволяет компьютеру двигателя регулировать время открытия и закрытия впускных клапанов. Варьируя фазы, двигатель может оптимизировать поток воздуха для различных условий эксплуатации.
Но фазы — это только половина дела. Изменяемый ход клапанов (VVL) управляет величиной открытия клапана. Некоторые системы используют несколько профилей кулачков и переключаются между профилем с малым ходом для крейсерского режима и профилем с большим ходом для ускорения. Гидравлические актуаторы также могут использоваться для физического дополнительного перемещения штока клапана.
Результат? Улучшается отклик на педаль акселератора. Крутящий момент на низких оборотах увеличивается. Это также значительно повышает топливную эффективность, поскольку двигатель «дышит» именно тогда, когда это необходимо, без удушения или перегрузки.
Реальное влияние на практике
Вы можете задаться вопросом, почему это важно для вас на заправке. Это важно, потому что VVT и VVL теперь являются стандартным оборудованием для большинства новых бензиновых двигателей. Именно поэтому ваш
Танцы клапанов: почему статичное распределение газораспределения приводит к перерасходу топлива
Большинство людей воспринимают клапаны двигателя просто как переключатели. Открыть. Закрыть. Повторить. Однако в современных бензиновых двигателях подход к клапану как к статичному отверстию может снижать эффективность.
Вот реальность: в традиционной конструкции клапаны открываются в одно и то же время и на одинаковую величину (ход клапана) независимо от того, что делает двигатель. Независимо от того, стоите ли вы на холостом ходу у светофора или едете по дороге, впускные и выпускные клапаны работают одинаково.
Это создает несоответствие. Частота вращения двигателя (об/мин) измеряет скорость вращения коленчатого вала, приводимого в движение поршнями. Она не связана напрямую со скоростью автомобиля. Вы можете разогнаться до 110 миль в час при 2000 об/мин или пробираться через пробки на 3000 об/мин.
Подумайте об этом как о вашем собственном метаболизме. Спринт требует большого количества кислорода и калорий. Когда вы сидите на диване, вам нужно лишь малая доля этого количества. Если заставить ваше тело потреблять одинаковое количество воздуха, независимо от того, бежите ли вы марафон или спите, вы будете дышать расточительно.
Двигатели внутреннего сгорания сталкиваются с той же проблемой. Если клапаны открываются одинаково при низкой нагрузке (движение в крейсерском режиме) и высокой нагрузке (разгон), двигатель будет забирать больше воздушно-топливной смеси, чем необходимо на низких скоростях. Избыточное топливо может сжигаться впустую или, что хуже, выбрасываться в выхлопную трубу без сгорания.
Изменяемое фазы газораспределения и ход клапанов решает эту проблему, адаптируя «дыхание» двигателя в реальном времени. Изменяя момент открытия клапанов (фазы) и степень их открытия (ход), двигатель получает ровно столько воздуха и топлива, сколько требуется для текущей нагрузки.
Каков результат? Эффективность бензинового двигателя может стать примерно на 5 процентов выше. Это не панацея, но в отрасли, где маржа прибыли крайне мала, а нормы выбросов жесткие, каждый процент имеет значение.
4: Отключение цилиндров
Изменение фаз газораспределения оптимизирует дыхание, но отключение цилиндров повышает эффективность более радикально, полностью отключая определенные части двигателя.
Логика отключения цилиндров
Это та же базовая идея, что и у систем с изменяемыми фазами газораспределения и высотой подъема клапанов. Иными словами, двигателю требуется разное количество топлива в зависимости от выполняемой работы.
Рассмотрим двигатель V8. Он имеет 8 цилиндров. При запуске двигателя все восемь цилиндров работают, сжигая смесь топлива и воздуха для выработки мощности. Большинство автомобилей с двигателем V8 оснащены именно такими агрегатами. Это связано с тем, что большее количество цилиндров, как правило, обеспечивает большую мощность. Именно поэтому такие двигатели устанавливают на спортивные автомобили и крупные грузовики. Люди предпочитают двигатели V8, потому что они обеспечивают высокую скорость и способны тянуть тяжелые грузы. Однако большинство водителей не совершают подобные действия постоянно.
Здесь на сцену выходит система отключения цилиндров. Если они не нужны, несколько цилиндров отключаются. Когда автомобиль или грузовик движется с постоянной скоростью без ускорения, часть цилиндров перестает работать. Они не поджигают смесь, поэтому топливо не расходуется. Это экономит топливо.
Автомобильные производители используют эту технологию в транспортных средствах с двигателями V8 уже много лет. Теперь она начинает применяться и в шестицилиндровых двигателях. Считается, что отключение цилиндров повышает эффективность двигателя на 7,5%.
Прямой впрыск топлива
Если отключение цилиндров направлено на сокращение потерь, то прямой впрыск топлива ориентирован на точность. В обычных двигателях топливо впрыскивается во впускной коллектор, где оно смешивается с воздухом перед поступлением в цилиндры. Прямой впрыск меняет правила игры, подавая топливо непосредственно в камеру сгорания.
Это позволяет более точно контролировать состав смеси. Расход топлива снижается, поскольку можно использовать более бедную смесь. Кроме того, это позволяет достигать более высоких степеней сжатия без риска детонации, что улучшает производительность. В результате обеспечивается более эффективная передача мощности и снижение выбросов за счет максимальной эффективности.
Нагрейте смесь
Двигатели внутреннего сгорания на бензине становятся более «умными» в отношении своих топливных смесей. Традиционно для воспламенения смеси воздуха и топлива в цилиндре использовались свечи зажигания. Но существует и другой способ. Нагревая и сжимая топливо перед его поступлением в камеру сгорания, инженеры могут добиться воспламенения без искры. Это процесс, похожий на дизельный, но с бензиновой основой. Результат? Более чистое сгорание. Это более эффективно. Меньше топлива тратится впустую.
В Японии уже продаются автомобили с двигателями, работающими по этому принципу. Mazda Demio оснащена технологией, увеличивающей степень сжатия до 14:1. У большинства стандартных бензиновых двигателей этот показатель составляет около 10:1. Дополнительные усилия окупились. Сообщается, что Demio расходует 70 миль на галлон. Для тех, кто мыслит в метрической системе, это 29,8 километра на литр.
Но есть одна проблема. Увеличение степени сжатия создает риск преждевременного воспламенения. Это детонация. Звучит плохо, потому что так оно и есть. Чтобы предотвратить этот хаос, система прямого впрыска подает мелкодисперсное облако топлива непосредственно в цилиндр. Обычно воздух и топливо смешиваются до впуска. В данном случае топливная струя охлаждает камеру сгорания. Она снижает температуру. Уменьшает детонацию. Результат? Прямой впрыск топлива повышает эффективность двигателя на 12%.
2: Турбонаддув
Гонка за то, чтобы выжать больше мощности из двигателя меньшего рабочего объема, началась не вчера, а современные решения играют по иным правилам. Старые турбокомпрессоры имели задержку (турбо-дыр). Они ждали, пока давление выхлопных газов нарастет, прежде чем раскручиваться. Вы нажимаете на педаль газа, ждете, а затем получаете прирост тяги. Современные агрегаты меньше по размеру. Они вращаются быстрее. Разрыв в крутящем моменте заполняется еще до того, как вы осознаете, что педаль была нажата.
Это сочетание турбонаддува и эффективности. Принудительно подавая больше воздуха в цилиндр, можно сжигать больше топлива более эффективно, но за меньшее время. Вы получаете отличную динамику разгона без добавления веса и без浪费 топлива. Речь идет не просто о перемещении воздуха, а о наполнении цилиндра. Технология созрела. Больше никаких задержек. Преимущества в эффективности реальны.
Но турбонаддув — это не только про производительность. Это еще и про соответствие экологическим стандартам. Даже двигатели меньшего объема можно сочетать с турбокомпрессором, чтобы соблюдать строгие нормативные требования, сохраняя при этом отзывчивость. Водители получают лучшее из обоих миров. Регуляторы получают нужные цифры. Двигатель работает холоднее и эффективнее на крейсерских скоростях и включается на полную мощность, когда это необходимо.
Однако есть и компромиссы. Сложность. Чем больше деталей, тем больше возможностей для поломок. Турбокомпрессоры добавляют тепло в выхлопную систему. Они требуют более эффективных решений для охлаждения. Качество масла становится более важным. Если за машиной не ухаживать должным образом, турбина выйдет из строя. При ее поломке она уносит с собой и двигатель. Это игра с высокими ставками. Производители с удовольствием идут на этот риск, поскольку показатели расхода топлива говорят сами за себя.
Как нагнетатели на самом деле экономят бензин
Это кажется противоречивым. Когда мы думаем о турбонаддуве, мы обычно ассоциируем его с ревущими спортивными автомобилями, расходующими топливо, а не с экономичностью. У нас в голове возникает образ V8, сжигающего резину, а не дизельного седана, экономно расходующего топливо на шоссе. Но физика рассказывает другую историю.
Турбокомпрессоры — это по сути вентиляторы, приводимые в действие выхлопными газами. Отработанная энергия потока выхлопных газов двигателя вращает турбину, которая сжимает воздух и нагнетает его в камеру сгорания. Это механически эквивалентно прямому впрыску, но для воздуха. Степень сжатия можно увеличить, заполняя цилиндр большим количеством кислорода. Чем выше степень сжатия, тем выше эффективность сгорания.
Главный секрет заключается не в том, чтобы сделать большой двигатель еще больше. Это позволяет маленькому двигателю выполнять функции большого. Именно здесь скрывается экономия топлива. Маленький турбированный двигатель выдает такую же мощность, как атмосферный V8, но потребляет меньше топлива, потому что ему не нужно перемещать такой же объем металла и прокачивать столько воздуха, когда не требуется полная мощность.
Ford доказал, что эта логика работает и со стороны тяжелых грузовиков. В 2011 году в линейку F-150 был добавлен турбированный V-6. Они называют его Ecoboost. Идея проста. Вам не нужен V8 в пикапе, если вы можете подать достаточно воздуха в маленький блок.
Цифры это подтверждают. Турбированный V-6 EcoBoost 2011 года выпуска F-150 развивает 365 лошадиных сил и 420 фунт-футов крутящего момента. Он способен буксировать прицеп массой 11 300 фунтов. Для сравнения, базовый V-8 того же года выдает 360 лошадиных сил и 380 фунт-футов крутящего момента. По мощности и крутящему моменту турбированный V6 побеждает. Он также превосходит его по эффективности.
Тестирование EPA показывает, что полноприводный EcoBoost расходует 16/22 миль на галлон в городе/на трассе. Базовый V-8 расходует 15/21 миль на галлон. Разница невелика, но она стабильна. Вы получаете больше тяги и лучшие показатели на заправке. Турбированные двигатели достигают этого за счет того, что реже работают на полной нагрузке. Вам не нужны такие высокие обороты, чтобы выполнить работу.
1: Водитель с легкой ногой
Экономичность зависит не только от того, что находится под капотом. Все зависит от того, как вы управляете автомобилем. Если вы воспринимаете педаль газа как спусковой крючок, турбонаддув вас не спасет.
Водители, которые предвидят остановки и поддерживают постоянную скорость, получат наибольшую выгоду от маленького двигателя. Турбокомпрессоры реагируют на спрос. Когда вы отпускаете педаль газа, турбина замедляется. Если вы вдавите педаль в пол, она раскручивается. Но если вы водите плавно, вы можете оставаться в эффективном диапазоне.
Давайте разберемся, как разгоняться. Быстрый разгон заставляет турбину работать при более высоком давлении наддува и потреблять больше топлива. Плавный разгон снижает нагрузку на двигатель. Ключевым здесь является экономичность.
Это не магия. Это физика. Больше воздуха означает больше мощности. Больше мощности в меньшем объеме означает меньший вес и меньшее трение. Меньше трения означает меньшие потери энергии в виде тепла. Меньше тепла означает, что больше энергии используется для движения автомобиля вперед.
Но если вы не делаете этого, в этом нет ничего страшного.
Драйвер — главный фактор
Не притворяйтесь, что одна лишь технология способна решить проблему расходов на топливо. Правда в том, что самый важный фактор экономии топлива находится не за кулисами. Он у вас под ногой. Резкое нажатие на педаль расходует больше топлива, чем у человека рядом, который плавно перестраивается в полосу. Именно поэтому на всех этикетках с показателями расхода топлива есть неопределённое предупреждение: «Расход может варьироваться». Вы — джокер.
Автомобильные производители знают об этом и пытаются влиять на ваши действия. Они хотят, чтобы вы водили машину, как монах. Как? Геймификация.
Посмотрите на свою приборную панель. Зелёный индикатор вашего Kia Forte или 2011 Honda Odyssey загорится. Всё очень просто. Этот индикатор включается, когда вы плавно разгоняетесь. Резко нажали на педаль? Он гаснет. Производители хотят, чтобы вы относились к зелёному индикатору как к высокому результату в аркадной игре. Держите его включённым, чтобы выиграть. Результат? Двигатель дольше работает в оптимальном режиме, что повышает эффективность и снижает расход топлива. У других марок есть аналогичные Индикаторы эффективности вождения, которые используют визуальную обратную связь, чтобы помочь вам выработать лучшие привычки.
Эко-режим: простой переключатель для снижения оборотов двигателя
В дополнение к игре на приборной панели, у вас есть кнопка Эко-режим. Раньше она была эксклюзивной функцией гибридов. Теперь она проникает и в бензиновые платформы.
Нажмите кнопку. Логика автомобиля меняется. В частности, корректируются характеристики переключения передач. Вместо того чтобы искать передачу, которая заставит двигатель реветь на высоких оборотах, коробка передач переключается на более высокую передачу раньше. Обороты двигателя снижаются. Двигатель вращается медленнее. Меньше работы — меньше топлива.
Работает ли это везде? Нет. Если вы попытаетесь использовать Эко-режим на трассе, вы можете столкнуться с задержками. Hesitation при обгоне? Это правда. Двигатель неохотно сбрасывает передачи и ищет мощность. Но если вы ездите по городу, где светофоры и лежачие полицейские диктуют вашу скорость, это определённо поможет вам сэкономить топливо.
Для получения дополнительной информации о новых технологиях бензиновых двигателей и других связанных темах, перейдите по ссылкам на следующей странице.
