Уже несколько лет в Формуле-1 используется система рекуперации кинетической энергии, которая подзаряжает емкие аккумуляторы при торможении, которые питают электродвигатели при разгоне, придавая дополнительные 60кВт (около 100 л. с.), с этого года цифра возросла до 200 л. с. И как ни странно данная технология применяется в электропоездах метро. Но такую систему трудно применить на гражданских автомобилях из-за того что тормозной путь относительно короток, а время разгона внушительное, не в пример электропоездам, у которых тормозной путь при подъезде к станции достаточно большой, чтобы батареи успели зарядиться.

Инженеры из Volvo переосмыслили эту идею, недавно предложив собственную систему рекуперации кинетической энергии. [4].

На задней оси переднеприводного автомобиля смонтирован шестикилограммовый маховик. При торможении он раскручивается до 60 тысяч оборотов в минуту. При разгоне энергия маховика передается задним колесам при помощи специального редуктора, что дает прибавку приблизительно в 80 лошадиных сил. Шведские инженеры заявляют, что модель S60 с четырехцилиндровым мотором и Flywheel KERS разгоняется до сотни быстрее, чем аналогичная модель с шестицилиндровым двигателем. Достигается экономия топлива до 25%.

Специалисты из Volkswagen придумали, как можно экономить топливо при движении накатом. Идея реализована на новом Passat CC с двигателем TDI и коробкой передач DSG с двойным сцеплением. При снятии ноги с педали газа двигатель отсоединяется от трансмиссии и работает на холостом ходу. Заявляют об экономии до 0,5 л/100 км, не забывая добавить "при аккуратном вождении". [5].

С точки зрения экономичности важна степень сжатия поскольку с ее увеличением возрастает КПД. На бензиновых двигателях эта зависимость гораздо ощутимее, чем на дизелях. Увеличивая КПД, сжигаем меньше топлива. Но пределы увеличения степени сжатия бензинного двигателя ограничены детонацией, которая особенно проявляется при работе в режимах полных нагрузок. А значит, на малых мощностях мы имеем право задавать большую степень сжатия для экономии топлива.

Инженеры придумали как получить возможность изменять степень сжатия. В привычный нам кривошипно-шатунный механизм добавляется эксцентриковый вал и дополнительный шатун, получается своеобразный коромысловый механизм. В конце 80х в отечественном НАМИ разрабатывали двигатель с таким механизмом.

Также в начале этого века инженеры SAAB придумали свой способ изменения степени сжатия. Система получила название SVC (SAAB Variable Compression). Головка блока и блок цилиндров объединены в моноблок. Моноблок перемещается относительно блок картера. Левая часть моноблока опирается на поворотную ось, а правая через шатун сообщается с эксцентриковым валом, при изменении положения которого изменяется степень сжатия. Степень сжатия изменяется от 8: 1 до 14: 1 в зависимости от нагрузки.

Недавно разработкой двигателя с изменяемой степенью сжатия занялся Volkswagen, но каким образом будет осуществлено изменение объема камеры сгорания немцы не уточняют.

К сожалению, на данный момент подобные двигатели не устанавливаются на серийные автомобили. Поэтому инженерам приходится иметь дело с постоянной степенью сжатия. Каким образом увеличить степень сжатия, поднять КПД, снизить расход топлива и избежать губительной детонации? Ответы на эти вопросы дают японские инженеры из Mazda. В 2012 году фирма представила модель CX-5 с бензиновым двигателем SkyActiv-G со степенью сжатия 14,0 (для сравнения у большинства автомобилей, бегающих по улицам, данный показатель не превышает 11:

1). Официально заявляют об улучшении топливной экономичности на 15%. Двигатель настроен на позднее зажигание для предотвращения детонации, а чтобы при этом топливо успело сгореть применены поршень с выемкой и форсунки с большим числом распылителей. [1].

Рис. 1. Поршень двигателя Skyactiv-G c выемкой

Кроме того японские инженеры разработали новую длинную выпускную систему с конфигурацией 4-2-1, благодаря чему cнижается температура в цилиндре, а следовательно и риск детонации. На 30% снижены потери, достигнут эффект продувки цилиндров.

Первым мотором из серии SKYACTIV-G был двухлитровый агрегат. В этом году появился двигатель объемом 2,5 литра (192 л. с.), который устанавливается на седан Mazda6.

Второе поколение двигателей SKYACTIV-G собираются перевести на степень сжатия 18: 1.

Современные турбодизели сконструированы так, что их степень сжатия лежит в пределах 16-18 единиц. Дизельный SKYACTIV-D наоборот имеет непривычно низкую степень сжатия 14: 1.

Чем выше степень сжатия, тем выше температура. Поэтому на современных дизелях топливо подается поздно, чтобы оно не воспламенилось раньше времени, отрицательным эффектом является неполное перемешивание и сгорание, что негативно сказывается на токсичности выхлопа. Инженеры компании Mazda снизили температуру и давление в цилиндре, что позволило подавать топливо до прихода поршня в ВМТ поэтому топливо лучше перемешивается и сгорает. Создан на базе дизельного двигателя MZR-CD. Облегчен блок цилиндров. Применён поршень с большей камерой сгорания. Главное преимущество агрегата в плане экологии - это выполнение норм Евро-6, вступивших в силу в 2014 году без применения продвинутого, дорогого нейтрализатора выбросов азота. Расход топлива снижен на 20%.

При снижении степени сжатия столкнулись с проблемой трудного пуска и неустойчивой работы при отрицательных температурах. Данную проблему решили с помощью керамических свеч накаливания и системы VVL, регулирующей высоту подъема клапана. Её суть состоит в том, что на впуске один из выпускных клапанов приоткрыт и выпускные газы засасываются в камеру сгорания. Свежий заряд подогревается, благодаря чему нет пропусков воспламенения, и при прогреве дизель работает устойчивее. Не обошлись без двухступенчатого наддува, при помощи которого сглаживается эффект "турбоямы".

Технологию SKYACTIV обещают развивать и добиться экономии в 30% к 2015 году.

Турбонаддув даёт выигрыш в экономичности, но с ним связана проблема турбоямы, когда на низких оборотах не хватает энергии для раскручивания большой турбины. Лекарством от этой проблемы является двойной турбонаддув, когда на низких оборотах работает небольшая турбина, а на средних и высоких в работу включается большой турбокомпрессор.

В 2012 году в "Ауди" показали первый мотор с электрическим турбонагнетателем. Турбина раскручивается за счет электричества. Электрическая турбина работает на невысоких оборотах, что помогает избежать турбоямы, а на средних и высоких оборотах включается традиционная турбина. [6].

Важным направлением деятельности современного двигателестроения является оптимизация работы двигателя и увеличение полноты сгорания. С этой целью разрабатываются всевозможные активаторы топлива, однако их полная бесполезность доказана испытаниями журнала "За рулём".

Если ионизировать поступающий в цилиндры воздух, то есть насытить его ионами, он будет лучше перемешиваться с топливом, улучшиться полнота сгорания, соответственно снизятся расход топлива и вредные выбросы. Например, российский производитель ионизаторов GROZA заявляет экономию топлива в 10%.

Доктор технических наук, Валерий Дудышев, предупреждает, что ионизировать воздух надо "в меру", меняя высокое напряжение в зависимости от времени года, влажности воздуха и качества бензина.

Предлагаются конструкции керамических двигателей, но они очень недолговечны. Если же покрыть цилиндр металлом, то сталкиваются с проблемой разного коэффициента термического расширения стали и керамики.

Сильно увеличивают расход топлива насосные потери в клапанах. BMW предложила систему изменения фаз газораспределения VANOS/Double VANOS, которая в зависимости от частоты вращения и нагрузки меняет моменты начала открытия впускных и выпускных клапанов (не меняя длительность фаз). Увеличивается крутящий момент и эффективность двигателя, снижается расход топлива.

Кроме того, немцы признали устаревшей дроссельную заслонку в качестве механизма регулировки количества поступающего в цилиндры воздуха, поскольку на средних и малых оборотах, когда заслонка приоткрыта, она является причиной больших потерь. Дроссельная заслонка вообще убрана, а количество поступающего воздуха регулируется высотой подъема клапанов в диапазоне 0-9,7 мм. Привычный механизм газораспределения дополнен эксцентриковым валом и промежуточным рычагом. Система получила название Valvetronic.

экономия топливо автомобильный транспорт

Рис.2. Система Valvetronic. Величина открытия клапана зависит от частоты вращения коленчатого вала.

В будущем, скорее всего, с увеличением мирового автомобильного парка найдут своё применение многие разработки, которые сейчас либо мало используются, либо не используются вообще:

1. Развитие технологии SKYACTIV позволит значительно снизить потребление топлива на бензиновых автомобилях.

2. Многочисленные прототипы двигателей с изменяемой степенью сжатия станут серийным двигателем, если один из ведущих автоконцернов разработает пригодную для производства и эксплуатации модель.

3. Технология по снижению массы автомобиля от Audi получит наибольшее распространение путем применения новых высокопрочных и сверхлегких материалов.

4. Система отслеживания режима работы светофоров Audi, получающая информацию через Интернет получит большее развитие, чем аналогичная система компании Honda, требующая развитие дорожной инфраструктуры.

Список литературы

1. Двигатели Skyactiv: раскрытые резервы // ZR.ru: электронный журнал. 2011.03 авг. URL: http://www.zr.ru/content/articles/342743-dvigateli_skyactiv_raskrytyje_rezervy/ (дата обращения: 12/05/2015).

2. Автопроизводители считают лишние литры // Izvestia.ru: интернет-изд. 2014.4 апр. URL: http://izvestia.ru/news/568614 (дата обращения: 12.05.2015).

3. Audi подключает светофоры к автомобилям // CNews.ru: Интернет-портал. 2014.20 мар. URL: http://auto. cnews.ru/news/byid/565141 (дата обращения: 12.04.2014).

4. Volvo соединила систему рекуперации с маховиком // Quto.ru: Интернет-портал. 2013.26 апр. URL: http://quto.ru/journal/carmakers/38563/ (дата обращения: 20.04.2014).

5. Особенности и детали Volkswagen Passat CC // Quto.ru: Интернет-портал. 2013.25 июн. URL: www.quto.ru/Volkswagen/PassatCC/If/sedan4d/features/8704 (дата обращения: 25.04.2014).

6. Audi тестирует электрическую турбину! // http://www.mihelson. tv: еженед. автоблог. 2012.22 сент. URL: http://www.mihelson. tv/post/Audi_testiruet_elektricheskuyu_turbinu_ (дата обращения: 12/05/2015).

Размещено на Allbest.ru