Що таке скорочення?

В останні роки в Європейському басейні стало менше всього, з чим контактує середня людина. Це, зокрема, відноситься до реальної заробітної плати, мобільних телефонів, ноутбуків, витрат компанії або обсягу двигунів і їх шкідливих викидів. На жаль, скорочення штату поки не торкнулося настільки застарілу громадську або державну адміністрацію. Однак значення слова «скорочення» в автомобілебудуванні не так ново, як може здатися на перший погляд. В кінці минулого століття дизельні двигуни теж підкрутили на першому етапі свою урізання, які завдяки наддуву і сучасному безпосередньому упорскуванню зберегли або зменшили обсяг, але при значному збільшенні динамічних параметрів двигуна.

Сучасна ера бензинових двигунів "Давнсайзинг" почалася з появи агрегату 1,4 TSi. На перший погляд, це само собою не схоже на зменшення габаритів, що також було підтверджено його включенням у пропозицію Golf, Leon або Octavia. Зміна точки зору не відбувалася доти, поки Škoda не почала збирати двигун 1,4 TSi потужністю 90 кВт у свою найбільшу модель Superb. Однак справжнім проривом стало встановлення двигуна 1,2 TSi потужністю 77 кВт на відносно великі автомобілі, такі як Octavia, Leon і навіть VW Caddy. Тільки тоді почалися справжні і, як завжди, наймудріші пабські виступи. Такі висловлювання, як: «не затягується, довго не протягне, гучність нічим не заміниш, у восьмикутника двигун із тканини, ви це чули?» Були більш ніж поширені не тільки четверта ціна пристроїв, але і в інтернет-обговореннях. Зменшення розмірів вимагає від виробників транспортних засобів логічних зусиль, щоб впоратися з постійним тиском, спрямованим на скорочення споживання та ненависних викидів. Звичайно, немає нічого безкоштовного, і навіть скорочення штату не лише приносить користь. Тому в наступних рядках ми докладніше обговоримо те, що називається зменшенням розміру, як це працює і які його переваги чи недоліки.

Що таке скорочення і причини

Зменшення розміру означає зменшення робочого об'єму двигуна внутрішнього згоряння при збереженні такої самої або навіть більш високої вихідної потужності. Паралельно зі зменшенням об'єму йде наддув за допомогою турбонагнітача або механічного компресора або комбінації обох методів (VW 1,4 TSi – 125 кВт). А також пряме упорскування палива, регулювання фаз газорозподілу, підйом клапана і т. д. Завдяки цим додатковим технологіям в циліндри надходить більше повітря (кисню) для згоряння, і кількість палива, що подається, може бути пропорційно збільшено. Звичайно, така стисла суміш повітря та палива містить більше енергії. Пряме впорскування у поєднанні із змінною синхронізацією та підйомом клапана, у свою чергу, оптимізує впорскування палива та завихрення суміші, що додатково збільшує ефективність процесу згоряння. Загалом, меншого об'єму циліндра достатньо для вивільнення тієї ж енергії, що й у більших та порівняльних двигунів без зменшення габаритів.

Як уже зазначалося на початку статті, поява скорочень в основному пов'язано з посиленням європейського законодавства. В основному мова йде про скорочення викидів, в той час як найбільш помітним є прагнення скоротити викиди CO в усіх напрямках.₂. Однак у всьому світі обмеження на викиди поступово посилюються. Відповідно до постанови Європейської комісії європейські автовиробники взяли на себе зобов'язання до 2015 року забезпечити обмеження викидів в 130 г CO.₂ на 1 км, це значення розраховується як середнє значення для парку автомобілів, розміщених на ринку за один рік. Бензинові двигуни відіграють безпосередню роль у зменшенні габаритів, не дивлячись на те, що з точки зору ефективності вони мають більше шансів знизити споживання (т. Е Також CO₂) Чим дизельні. Однак це ускладнює не лише вищу ціну, але й відносно проблематичне та дороге усунення шкідливих викидів у вихлопних газах, таких як оксиди азоту – NO_x, чадний газ – CO, вуглеводні – HC або технічний вуглець, для видалення яких використовується дорогий і досі відносно проблемний фільтр DPF (FAP). Таким чином, малолітражні дизелі поступово стають дедалі складнішими, і на невеликих автомобілях грають на менших скрипках. Гібридні автомобілі та електромобілі також конкурують зі скороченням габаритів. Хоча ця технологія багатообіцяюча, вона набагато складніша, ніж відносно просте зменшення розмірів, та все ж занадто дорога для пересічних громадян.

Трохи теорії

Успіх зменшення габаритів залежить від динамічних параметрів двигуна, витрати палива та загального комфорту водіння. Потужність та крутний момент на першому місці. Продуктивність – це робота, виконана з часом. Робота, представлена ​​протягом одного циклу двигуна внутрішнього згоряння з іскровим запалюванням, визначається так званим циклом Отто.

По вертикальній осі – тиск над поршнем, а горизонтальної осі – об'єм циліндра. Робота дана областю, обмеженою кривими. Ця діаграма ідеалізована, тому що ми не враховуємо теплообмін із навколишнім середовищем, інерцію повітря, що надходить у циліндр, а також втрати, спричинені впуском (невеликий негативний тиск порівняно з атмосферним тиском) або випуском (невеликий надлишковий тиск). Нині ж опис самої історії, показаної на (V) діаграмі. Між крапками 1-2 балони заповнюються сумішшю – обсяг збільшується. Між точками 2-3 відбувається стиск, поршень працює і стискає паливно-повітряну суміш. Між точками 3-4 відбувається згоряння, постійний об'єм (поршень знаходиться у верхній мертвій точці), і паливна суміш горить. Хімічна енергія палива перетворюється на тепло. Між точками 4-5 згоріла суміш палива і повітря виконує роботу - розширення і тиск на поршень. У пунктах 5-6-1 відбувається зворотне надходження, тобто вихлоп.

Чим більше ми всмоктуємо паливно-повітряну суміш, тим більше виділяється хімічної енергії, і площа під кривою збільшується. Досягти цього ефекту можна кількома способами. Перший варіант - адекватно збільшити об'єм циліндра, соотв. весь двигун, який за тих самих умов ми досягаємо більшої потужності – крива зростатиме вправо. Іншими способами зрушити зростання кривої вгору є, наприклад, збільшення ступеня стиснення або збільшення потужності для роботи з часом та одночасне виконання декількох менших циклів, тобто збільшення частоти обертання двигуна. Обидва описані методи мають багато мінусів (самоспалення, більш висока міцність головки блоку циліндрів та її ущільнень, підвищене тертя на підвищених оборотах – ми опишемо пізніше, вищі викиди, сила на поршні все ще приблизно така ж), в той час як автомобіль має відносно великий приріст потужності на папері, але момент, що крутить, сильно не змінюється. Нещодавно, хоча японській Mazda вдалося запустити в серійне виробництво бензиновий двигун з незвичайно великим ступенем стиснення (14,0: 1) під назвою Skyactive-G, який може похвалитися дуже хорошими динамічними параметрами при сприятливій витраті палива, проте більшість виробників використовують ще одну можливість збільшити обсяг області під кривою. І це для стиснення повітря перед входом у циліндр із збереженням об'єму – переповнення.

Тоді діаграма p (V) циклу Отто виглядає приблизно так:

Оскільки заряд 7-1 відбувається при іншому (більш високому) тиску, ніж випуск 5-6, створюється інша замкнута крива, що означає, що додаткова робота виконується в неробочому ході поршня. Це можна використовувати, якщо пристрій, стискає повітря, харчується від деякої зайвої енергії, якої в нашому випадку є кінетична енергія вихлопних газів. Таким пристроєм є турбокомпресор. Застосовується і механічний компресор, але треба враховувати певний відсоток витрачається (15-20%) на його роботу (найчастіше він приводиться в рух колінчастим валом), тому частина верхньої кривої зміщується в нижню без будь-яких ефект.

Приїдемо ненадовго, поки переповнюють. Наддув бензинового двигуна використовувався давно, але головним завданням було підвищення продуктивності, в той час як витрата не особливо вирішувалося. Так що газові турбіни тягли їх за життя, але вони також їли траву край дороги, давлячи на газ. На те було кілька причин. По-перше, зменшити ступінь стиснення цих двигунів, щоб виключити детонаційному-детонационное згоряння. Також була проблема з турбо-охолодженням. При високих навантаженнях суміш повинна була бути збагачена паливом, щоб охолодити вихлопні гази і таким чином захистити турбокомпресор від високої температури топкових газів. Що ще гірше, енергія, що подається турбонагнітачем в наддувочного повітря, частково втрачається при частковому навантаженні через гальмування повітряного потоку на дросельної заслінки. На щастя, сучасні технології вже дозволяють знизити витрату навіть тоді, коли двигун нагнітається турбонагнітачем, що є одним з основних умов зменшення габаритів.

Конструктори сучасних бензинових двигунів намагаються надихнути ті дизельні двигуни, які працюють з більш високим ступенем стиснення та при частковому навантаженні, потік повітря через впускний колектор не обмежується дросельною заслінкою. Небезпека детонаційного горіння-детонації, викликана високим ступенем стиснення, який може дуже швидко зруйнувати двигун, усувається сучасною електронікою, яка контролює момент займання набагато точніше, ніж це було донедавна. Великою перевагою також є використання прямого упорскування палива, при якому бензин випаровується прямо в циліндрі. Таким чином, паливна суміш ефективно охолоджується, а також збільшується межа самозаймання. Слід також згадати широко поширену зараз систему зміни фаз газорозподілу, яка дозволяє певною мірою впливати на фактичний ступінь стиснення. Так зване Цикл Міллера (нерівномірно довгий хід стиснення та розширення). На додаток до змінних фаз газорозподілу, регульований підйом клапана також допомагає знизити споживання, яке може замінити керування дросельною заслінкою і, таким чином, знизити втрати на всмоктуванні – уповільнюючи потік повітря через дросельну заслінку (наприклад, Valvetronic від BMW).

Перезарядка, зміна фаз газорозподілу, підйому клапана або ступеня стиснення не є панацеєю, тому проектувальники повинні враховувати інші фактори, які, зокрема, впливають на кінцевий витрата. До них, зокрема, відносяться зниження тертя, а також приготування і спалювання самої запальною суміші.

Конструктори десятиліттями працювали над зменшенням тертя рухомих частин двигуна. Слід визнати, що вони досягли великих успіхів у галузі матеріалів і покриттів, які в даний час мають кращі фрикційні властивості. Те ж можна сказати і про олії та мастила. Не залишилася поза увагою і сама конструкція двигунів, де оптимізовано розміри рухомих частин, підшипників, не змінилася форма поршневих кілець і, звичайно, кількість циліндрів. Найімовірнішими двигунами з «меншим» числом циліндрів в даний час є трициліндрові двигуни EcoBoost об'ємом XNUMX літр від Ford або двоциліндрові TwinAir від Fiat. Найменша кількість циліндрів означає меншу кількість поршнів, шатунів, підшипників або клапанів і, отже, логічно повне тертя. У цій галузі, безумовно, є певні обмеження. Перший – це тертя, яке зберігається на відсутньому циліндрі, але певною мірою компенсується додатковим тертям у підшипниках балансувального валу. Ще одне обмеження пов'язане з кількістю циліндрів або культурою експлуатації, які суттєво впливають на вибір категорії транспортного засобу, яким керуватиме двигун. В даний час немислимо, наприклад, BMW, відомий своїми сучасними двигунами, був оснащений двоциліндровим двигуном, що гуде. Але хто знає, що буде за кілька років. Оскільки тертя збільшується пропорційно квадрату швидкості, виробники не тільки знижують саме тертя, а й намагаються спроектувати двигуни, щоб забезпечити достатню динаміку на мінімально можливих швидкостях. Оскільки при атмосферній заправці малолітражного двигуна з цим завданням не впоратися, на допомогу знову приходить турбонагнітач або турбонагнітач, поєднаний із механічним компресором. Однак у разі наддуву лише за допомогою турбонагнітачів це непросте завдання. Слід зазначити, що турбокомпресор має значну інерцію обертання турбіни, що створює звані турбодиера. Турбіна турбонагнітачів наводиться в рух вихлопними газами, які в першу чергу повинні вироблятися двигуном, щоб була певна затримка з моменту натискання педалі акселератора до очікуваного початку тяги двигуна. Звичайно, різні сучасні системи турбонаддува намагаються більш-менш успішно компенсувати цю недугу, і на допомогу приходять нові конструктивні поліпшення турбокомпресорів. Таким чином, турбокомпресори менше і легше, вони реагують швидше та швидше при більш високих швидкостях. Спортивно-орієнтовані водії, виховані на швидкісних двигунах, звинувачують такий «тихохідний» двигун із турбонаддувом у слабкій реакції. немає градації потужності зі збільшенням швидкості. Таким чином, двигун емоційно тягне на низьких, середніх та високих оборотах, на жаль, без пікової потужності.

Не залишився осторонь і склад найгорючої суміші. Як відомо, бензиновий двигун спалює так звану гомогенно-стехіометричну суміш повітря та палива. Це означає, що на 14,7 кг палива – бензину припадає 1 кг повітря. Це співвідношення також позначається як лямбда = 1. Вказана суміш бензину та повітря також може бути спалена за інших відносин. Якщо використовувати кількість повітря від 14,5 до 22:1, то є великий надлишок повітря – йдеться про так звану пісну суміш. Якщо змінити співвідношення на зворотне, кількість повітря менше стехіонометричного, а бензину більше (ставлення повітря до бензину знаходиться в діапазоні від 14 до 7: 1), ця суміш називається так званою. багата суміш. Інші співвідношення за межами цього діапазону важко спалахнути, тому що вони занадто розбавлені або містять занадто мало повітря. У будь-якому випадку обидві межі мають протилежний ефект на продуктивність, споживання та викиди. Що стосується викидів, то у разі багатої суміші відбувається значне утворення CO та HC._x, Виробництво НІ_x відносно невелика через більш низьких температур при спалюванні багатою суміші. Навпаки, при спалюванні збідненого суміші виробництво NO особливо вище._x, через вищу температуру горіння. Не можна забувати і про швидкість горіння, яка для кожного складу суміші різна. Швидкість горіння дуже важливий фактор, але його важко контролювати. На швидкість горіння суміші також впливають температура, ступінь завихрення (підтримується частотою обертання двигуна), вологість та склад палива. Кожен із цих факторів задіяний по-різному, причому найбільший вплив надають завихрення та насиченість суміші. Багата суміш горить швидше, ніж бідна, але якщо суміш надто багата, швидкість горіння значно знижується. Коли суміш спалахує, горіння спочатку йде повільно, зі збільшенням тиску і температури швидкість горіння збільшується, чому також сприяє посилення завихрення суміші. Спалювання збідненої суміші сприяє збільшенню повноти згоряння до 20%, тоді як, згідно з існуючими можливостями, вона є максимальною у співвідношенні приблизно від 16,7 до 17,3: 1. Оскільки гомогенізація суміші погіршується під час виснаження, що призводить до значного зниження швидкості горіння, зниження ефективності, а також продуктивності, виробники придумали так званий нашаровуючи суміш. Іншими словами, горюча суміш розшаровується в просторі згоряння, так що співвідношення навколо свічки є стехіометричним, тобто легко спалахує, а в іншому середовищі, навпаки, склад суміші значно вищий. Ця технологія вже використовується на практиці (TSi, JTS, BMW), на жаль, поки що тільки до певних швидкостей або. у режимі легкого навантаження. Проте розвиток – це швидкий крок уперед.

переваги скорочення

• Такий двигун не тільки менше за обсягом, але і за розміром, тому його можна виробляти з меншою кількістю сировини і меншим споживанням енергії.
• Оскільки при виробництві двигунів використовується аналогічне сировину, якщо не одне і те ж, двигун буде легше через менших розмірів. Вся конструкція автомобіля може бути менш міцною і, відповідно, більш легкої і дешевою. з існуючим більш легким двигуном менше навантаження на вісь. В цьому випадку поліпшуються і ходові якості, оскільки на них не так сильно впливає важкий двигун.
• Такий двигун менше і могутніше, і тому не важко побудувати невеликий і потужний автомобіль, який іноді не працював через обмежений обсяг двигуна.
• Менший двигун також має меншу інерційну масу, тому він не споживає стільки енергії, щоб рухатися під час зміни потужності, як великий двигун.

недоліки скорочення

• Такий двигун піддається значно більшою термічною і механічною навантаженні.
• Хоча двигун легше за обсягом і вагою, через наявність різних додаткових деталей, таких як турбонагнетатель, проміжний охолоджувач або впорскування бензину високого тиску, збільшується загальна вага двигуна, збільшується вартість двигуна, весь комплект вимагає підвищеної обслуговування. і ризик відмови вище, особливо для турбокомпресора, який піддається сильним термічним і механічним навантаженням.
• Деякі допоміжні системи споживають енергію в двигуні (наприклад, поршневий насос з прямим уприскуванням для двигунів TSI).
• Розробка, а також виробництво такого двигуна значно важче і складніше, ніж у випадку двигуна з атмосферним наповненням.
• Підсумковий витрата все ще відносно сильно залежить від стилю водіння.
• Внутрішнє тертя. Майте на увазі, що тертя в двигуні залежить від швидкості. Це відносно небагато для водяного насоса або генератора змінного струму, де тертя збільшується лінійно зі швидкістю. Однак тертя кулачків або поршневих кілець збільшується пропорційно квадратному кореню, що може привести до того, що високошвидкісний невеликий двигун буде демонструвати більш високий внутрішній тертя, чим більший обсяг, який працює на більш низьких швидкостях. Однак, як вже було сказано, багато що залежить від конструкції і робочих характеристик двигуна.

Так чи є майбутнє у скорочення штатів? Незважаючи на деякі недоліки, я так вважаю. Однак безнаддувні двигуни не зникають відразу, просто з-за економії виробництва, досягнень в технологіях (Mazda Skyactive-G), ностальгії або звички. Безпартійним, які не довіряють потужності маленького двигуна, я рекомендую завантажити такий автомобіль чотирма досить нагодованими людьми, потім шукати пагорб, обганяти і тестувати. Надійність залишається набагато складнішою проблемою. Є рішення для покупців квитка, навіть якщо це займе більше часу, ніж тест-драйв. Зачекайте кілька років, поки з'явиться двигун, а потім вирішите. Однак в цілому ризики можна поділити в такий спосіб. У порівнянні з більш потужним атмосферним двигуном тієї ж потужності, менший двигун з турбонаддувом набагато сильніше навантажений тиском в циліндрах, а також температурою. Тому такі двигуни мають значно більш навантажені підшипники, колінчастий вал, головку блоку циліндрів, розподільні пристрої й т.п. Однак ризик виходу з ладу до закінчення запланованого терміну служби відносно невеликий, оскільки виробники розраховують двигуни для такого навантаження. Однак будуть і помилки, зазначу, наприклад, проблеми з пропуском ланцюга ГРМ в двигунах TSi. В цілому, однак, можна сказати, що термін служби цих двигунів, ймовірно, не буде таким великим, як у випадку двигунів з атмосферним наддувом. В основному це відноситься до автомобілів з великим пробігом. Підвищена увага потрібно також приділяти споживання. У порівнянні з більш старими бензиновими двигунами з турбонаддувом, сучасні турбокомпресори можуть працювати значно більш економічно, в той час як кращі з них відповідають споживанню порівняно потужного турбодизеля при економічної експлуатації. Недоліком є ​​постійно зростаюча залежність від стилю водіння водія, тому, якщо ви хочете їздити економно, вам потрібно обережно поводитися з педаллю газу. Однак, у порівнянні з дизельними, бензинові двигуни з турбонаддувом компенсують цей недолік кращої опрацюванням, більш низьким рівнем шуму, більш широким діапазоном використовуваних швидкостей або відсутністю такого критикованого DPF.