Факторы экономии
Топливная экономичность давно стала приоритетом при совершенствовании бензиновых моторов – рапорты об очередных процентах экономии звучат при появлении каждого нового двигателя. Но какие технические решения стоят за этими показателями?
От чего вообще зависит расход топлива? Ответ на этот вроде бы пространный вопрос оказывается довольно лаконичным. Существуют три фактора, определяющие эффективность двигателя: первый – полнота сгорания топлива, второй – степень преобразования выделившегося тепла в механическую энергию (то есть термодинамический КПД), третий – величина потерь, связанных с внутренним трением, газообменом и приводом вспомогательных агрегатов. Таким образом, любое техническое решение, направленное на улучшение экономичности мотора, затрагивает одну или несколько из этих трех областей. Чего же удалось достичь за последние 20–25 лет?
Полнее некуда
В вопросе полноты сгорания к пределу подошли уже давно – в конце 80-х, в период массового появления систем впрыска топлива. Со сменой карбюратора на электронику, точно дозирующую бензин и оснащенную каналом обратной связи о продуктах сгорания, проблемы неоптимальной топливно-воздушной смеси, а соответственно, и неполного сгорания потеряли свою актуальность. Окончательную точку поставило создание более совершенных систем впрыска, способных отслеживать работу каждого цилиндра в отдельности и вносить индивидуальные поправки в подачу топлива.
Не сильно поменялся и термодинамический КПД. Главным образом он зависит от степени сжатия, определяющей, соответственно, и степень расширения отработавших газов. Чем она выше, тем полнее тепловая энергия преобразуется в механическую. Но, увы, «зажимать» двигатель можно лишь до определенного предела – в какой-то момент скорость воспламенения смеси резко возрастает и сгорание становится детонационным, то есть резким, неконтролируемым и опасным для мотора. Поэтому типичная степень сжатия (достигнутая еще в середине 90-х годов) – 10–10,5 единиц.
Поднять планку помог только непосредственный впрыск топлива в цилиндры – вероятность детонации снизилась благодаря эффекту охлаждения камеры сгорания испаряющимся бензином. Лучшим атмосферным двигателям это позволило добиться значений около 12, но с приходом эпохи турбонаддува степень сжатия пришлось вернуть к обычным значениям, в противном случае детонация провоцировалась слишком высоким давлением воздуха, сжатого еще на этапе впуска.
Стремясь хоть как-то улучшить КПД, инженеры стали поднимать рабочую температуру двигателя, уменьшая тем самым потери тепла отработавших газов через относительно холодные стенки цилиндров. Так появились электронные термостаты, перегревающие мотор до 110° в режиме малых нагрузок и понижающие его температуру до нормальных 95–100° при полной мощности – опять-таки во избежание детонации. Впрочем, широкого применения технология не получила, оставшись прерогативой дорогих высокотехнологичных агрегатов – за небольшой выигрыш в экономичности приходится платить быстро стареющим от перегрева маслом и нагрузками на систему охлаждения, где находящаяся на грани кипения жидкость циркулирует под очень большим давлением.
Итак, топливо в цилиндре сгорело, температура и давление подскочили – поршень сдвинулся. Теперь самое важное – не растерять эту механическую энергию, чтобы как можно большая ее часть пошла на движение автомобиля.
Часть потерь приходится на внутреннее трение. Впрочем, все заявления об уменьшенном трении, более качественной обработке поверхностей скорее маркетинговый ход, нежели реально ощутимое достижение. Ведь сухого, контактного трения в двигателе нет – поверхности всегда разделены слоем масла, и что-то принципиально улучшить невозможно. А вот в деле снижения затрат на привод вспомогательных агрегатов действительно есть удачные решения. Например, более эффективный электронасос вместо приводимой ремнем водяной помпы. Или масляный насос переменной производительности, который просто создает нужное давление, а не стравливает его излишки через перепускной клапан.
Дышите глубже!
Но главные достижения инженеров сосредоточены в области газодинамики двигателя, а точнее – потерь на всасывание воздуха. Эта принципиальная проблема бензинового двигателя связана с наличием дроссельной заслонки. Расположенная во впускном патрубке, она перекрывает путь потоку воздуха, регулируя наполнение цилиндров и, соответственно, развиваемый крутящий момент. Но это означает, что при малых нагрузках на двигатель, когда заслонка почти закрыта, сопротивление воздуху увеличивается и двигатель работает крайне неэффективно. Только представьте, сколько энергии тратит на холостом ходу какой-нибудь 5-литровый мотор, втягивая воздух сквозь узкую щель едва приоткрытого дросселя!
На выручку опять пришел непосредственный впрыск. С его помощью удается распылить топливо не по всему объему камеры сгорания, а лишь вблизи электродов свечи, то есть обеспечить условия для воспламенения горючего при избытке воздуха. И теперь дроссельную заслонку можно открыть сильнее – двигатель будет работать на бедной смеси при меньших затратах на впуск воздуха.
Еще одним решением стали механизмы изменения высоты подъема клапанов. Сверхидея заманчива: регулировать подачу воздуха не дроссельной заслонкой, а продолжительностью открытия впускных клапанов. В таком случае на малых нагрузках вместо мучительного втягивания воздуха на протяжении всего хода поршня двигатель будет делать короткий, но свободный «вдох» и закрывать клапан!
К сожалению, в полной мере идею так никто и не осуществил – лучшей реализацией стал Valvetronic от BMW, где продолжительность открытия регулируется опосредованно, через бесступенчатое изменение высоты подъема клапанов. Но даже в таком виде Valvetronic позволил отказаться от дроссельной заслонки, чего, кстати, не удалось сделать остальным производителям с их более простым решением – всего лишь двухступенчатой регулировкой высоты подъема за счет двойных кулачков распредвала. Возможно, они и не очень старались, ведь нашлось куда более эффективное решение. Раз уж так трудно снизить сопротивление впускной системы, то можно просто уменьшить потребность двигателя в воздухе, сократив его рабочий объем, а потерю мощности компенсировать большей степенью форсирования, например, подняв обороты или применив турбонаддув. Последний оказался проще в реализации и эффективнее за счет использования энергии выхлопных газов.
Что ж, инженеры действительно проделали большую работу по улучшению экономичности бензиновых моторов, вот только эта экономичность заметна лишь при малой нагрузке, когда имеют место значительные потери на всасывание. В таких режимах преимущество может доходить до 30-40%. А чем сильнее мы давим на «газ», тем больше открывается дроссельная заслонка – мотору становится легче «дышать», и большинство технических инноваций просто… выключается из работы, ведь они созданы для частичных нагрузок. Остаются лишь те, что влияют на термодинамический КПД, а их совсем мало.
Отсюда и удивление владельцев: стоит поехать динамичнее, и при взгляде на расход топлива начинает казаться, что под капотом не новая турбированная «четверка», а старый атмосферный V6. Что уж говорить про малообъемные турбомоторы, пришедшие на смену прежним 1,6–1,8-литровым «атмосферникам», – часто работая на пределе даже в городе, они демонстрируют экономичность лишь на бумаге, являясь при этом несравнимо более сложными и менее надежными агрегатами. Впрочем, это уже совсем другая история.