Чтобы объяснить, почему КПД двигателя ограничен, нам нужно обратиться к теории, то есть ко второму началу термодинамики, и наблюдать тепловой баланс в двигателе.
КПД двигателя внутреннего сгорания, представленный диаграммой Сэнки, показывающей тепловой баланс, полученный при сгорании единицы топлива.
Всё тепло, полученное при сгорании топлива в двигателе, не может быть преобразовано в механическую работу. Такой конверсии подвергаются лишь 30-45%. тепло, поступающее в двигатель. Значения теплового КПД двигателей различны для разных типов агрегатов. Например, для двигателей с искровым зажиганием они составляют примерно 0,30-0,36, а для дизельных двигателей - примерно 0,40-0,45. Это означает не что иное, как то, что при заливке в бак 60 литров топлива на питание узлов автомобиля расходуется всего 18-21,6 литров в случае бензина и 24-27 литров солярки. Остальное безвозвратно потеряно. Он уходит вместе с выхлопными газами или уносится охлаждающей жидкостью. Это иллюстрируется уравнением
Qd= Qe + Qch + Qw + Qrs + Qot
где:
- • Qd — общее количество тепла, подаваемое в двигатель.
- • Qe - эффективное/полезное тепло, т.е. количество тепла, преобразуемое в полезную работу.
- • Qw — потери с выхлопными газами, т.е. количество тепла, отводимого с выхлопными газами.
- • Qch - потери охлаждения, т.е. количество тепла, передаваемое охлаждающей среде
- • Qrs — потери при горении, т. е. количество тепла, теряемого из-за неполного сгорания.
- • Qot — потери в окружающую среду, т.е. количество тепла, передаваемое в окружающую среду без использования факторов охлаждения (в том числе трения).
Диаграмма Сэнки Диаграмма Сэнки< /span>
Поэтому мы имеем влияние на снижение расхода топлива в двигателе только при конкретных конструктивных решениях в условиях неполного сгорания и трения в механизмах двигателя. Поэтому мы можем обеспечить правильное сгорание, только обеспечив надлежащее состояние таких компонентов, как свечи зажигания, топливные и воздушные фильтры, а также форсунки. Снижение потерь от трения заключается в правильном уходе за моторным маслом и масляным фильтром.
И как дизайнеры могут добиться более высокой эффективности двигателя?
К сожалению, правда в том, что существуют технологические ограничения. Точно так же, как прыгун с трамплина не может летать дальше, чем позволяет природа, двигатель не может быть более эффективным. Итак... лучше всего заглушить двигатель.
Это может показаться странным, но на самом деле это самое разумное решение. В этом случае конструкторы двигателей использовали два решения: отключить часть цилиндров или выключить весь двигатель. В качестве примера таких технологий приведем двигатели концерна VW.
ACT, т.е. два цилиндра выключены
В зависимости от нагрузки приводного агрегата, при движении с оборотами двигателя в диапазоне от 1400 до 3200 об/мин, включается система отключения цилиндров (Active Cylinder Management - ACT)) незаметно для водителя отключает два цилиндра из четырех. Такое отключение второго и третьего цилиндров происходит мгновенно и практически незаметно. Это повышает эффективность работающих цилиндров, а отключенные практически не вызывают потерь — достаточно нажать на педаль газа, чтобы запустить их снова.
FMA, т.е. двигатель в фазе движения
Еще более продвинутая функция — двигатель с функцией парусности FMA (от немецкой Freilauf Motor Aus), что означает, что при движении с постоянной скоростью и без ускорения двигатель полностью отключается. До скорости 130 км/ч он позволяет эксплуатировать автомобиль аналогично гибридам – когда водитель убирает ногу с педали газа, он может двигаться (плывать) с выключенным двигателем. В нынешней системе FMA компания Volkswagen обогатила 12-вольтовую электрическую систему небольшой литий-ионной батареей, которая обеспечивает питание дополнительных устройств, когда автомобиль находится в режиме плавания. Так называемый Q-диод регулирует ток между литий-ионным аккумулятором и свинцово-кислотным аккумулятором. По окончании фазы плавания двигатель в зависимости от скорости движения и ситуации запускается одним из нескольких способов: с помощью стартера, через муфты коробки передач DSG или совместно с помощью стартера и сцепления.
Четырёхцилиндровый двигатель также удивляет тихой работой и высоким крутящим моментом, доступным даже на низких оборотах двигателя, даже при экономичном движении на высоких передачах. За это они несут ответственность, среди прочего: работа в цикле Миллера, а также высокий крутящий момент и преимущества непосредственного впрыска топлива. Давайте рассмотрим наиболее важные решения:
Цикл Миллера
Когда агрегат работает не с полной нагрузкой, т.е. в большинстве повседневных ситуаций, потребность в топливе у двигателя TSI ниже. Это происходит потому, что впускные клапаны закрываются раньше, что снижает дроссельные потери и позволяет добиться высокой степени сжатия — 12,5:1 в случае четырехцилиндрового двигателя и 11,5:1 в трехцилиндровом двигателе. Однако меньшее количество воздуха не приводит к снижению ни мощности, ни крутящего момента; Этому противодействуют сложные технические решения. Для увеличения наполнения камер сгорания при разгоне автомобиля постоянно меняется положение распределительного вала, управляющего работой впускных клапанов. Это достигается за счет чрезвычайно быстрой и точной гидравлической системы. Меняет свое положение и вал, управляющий работой выпускных клапанов.
Турбина с изменяемой геометрией
Турбокомпрессор оснащен турбиной изменяемой геометрии (ВТГ). Это позволяет добиться давления сжатия 2,3 бар в четырехцилиндровом двигателе и даже 2,8 бар в трехцилиндровом силовом агрегате. Благодаря этому оба двигателя способны развивать максимальный крутящий момент даже на очень низких оборотах.
Интересный факт: компрессор выдерживает температуру выхлопных газов 950 градусов Цельсия и достигает максимальной скорости 289 000 об/мин.
В двигателе 1.5 мощностью 130 л.с. максимальный крутящий момент 200 Нм доступен всего с 1400 об/мин и сохраняется на этом уровне до 4000 об/мин.
Давление впрыска 350 бар
Система впрыска Common Rail во всех бензиновых двигателях TSI работает при максимальном давлении 350 бар и может производить пять одиночных впрысков топлива за один рабочий такт. Бензин диспергируется на очень мелкие частицы, смесь создается очень точно, выброс вредных веществ низкий. За двигателем установлен сажевый фильтр, улавливающий практически все частицы сажи, оставшиеся в выхлопных газах.
Алюминиевый корпус коленчатого вала с плазменным покрытием.
Выполнение корпуса коленчатого вала из алюминия делает двигатели TSI очень легкими, что снижает массу всего автомобиля. Использование новых технологий также снижает внутренние трения. Стенки цилиндра были покрыты слоем подходящего сплава толщиной 100 микрометров, нанесенным методом плазменного напыления. Оптимальную рабочую температуру двигателей 1,5 TSI и 1,0 TSI обеспечивает новая конструкция системы охлаждения. Важным элементом является выпускной коллектор, расположенный в головке блока цилиндров, который способствует быстрому прогреву двигателя и, следовательно, раннему включению системы очистки выхлопных газов.
И подумать только, что моторчик можно разобрать под блок и отремонтировать...