Изменяемый рабочий объем — это технология автомобильных двигателей, которая позволяет изменять рабочий объем двигателя , обычно путем отключения цилиндров , для улучшения экономии топлива . Технология в основном используется в больших многоцилиндровых двигателях. Многие производители автомобилей приняли эту технологию с 2005 года, хотя эта концепция существовала и некоторое время до этого.
Отключение цилиндров используется для снижения расхода топлива и выбросов двигателя внутреннего сгорания при работе с малой нагрузкой. При типичном вождении с малой нагрузкой водитель использует только около 30 процентов максимальной мощности двигателя. В этих условиях дроссельная заслонка почти закрыта, и двигателю необходимо работать, чтобы всасывать воздух. Это вызывает неэффективность, известную как насосные потери. Некоторые двигатели большой мощности необходимо так сильно дросселировать при малой нагрузке, что давление цилиндра в верхней мертвой точке составляет примерно половину от давления в небольшом 4-цилиндровом двигателе . Низкое давление цилиндров приводит к снижению топливной экономичности . Использование отключения цилиндров при малой нагрузке означает, что меньше цилиндров всасывают воздух из впускного коллектора , что увеличивает давление жидкости (воздуха). Работа без переменного рабочего объема является расточительной, поскольку топливо непрерывно закачивается в каждый цилиндр и сгорает, хотя максимальная производительность не требуется. При отключении половины цилиндров двигателя количество потребляемого топлива значительно меньше. За счет снижения насосных потерь, что увеличивает давление в каждом рабочем цилиндре, и уменьшения количества топлива, закачиваемого в цилиндры, расход топлива может быть снижен на 8–25 процентов в условиях шоссе. [1] [2]
Деактивация цилиндров достигается путем удержания впускных и выпускных клапанов закрытыми для конкретного цилиндра. Удерживая впускные и выпускные клапаны закрытыми, он создает «воздушную пружину» в камере сгорания — захваченные выхлопные газы (сохраненные от предыдущего сгорания заряда) сжимаются во время хода поршня вверх и давят на поршень во время его хода вниз. Сжатие и декомпрессия захваченных выхлопных газов оказывают выравнивающий эффект — в целом, на двигатель практически нет дополнительной нагрузки. В новейшем поколении систем деактивации цилиндров система управления двигателем также используется для прекращения подачи топлива в отключенные цилиндры. Переход между нормальной работой двигателя и деактивацией цилиндров также сглаживается с помощью изменения момента зажигания , момента открытия кулачков и положения дроссельной заслонки (благодаря электронному управлению дроссельной заслонкой ). В большинстве случаев деактивация цилиндров применяется к двигателям с относительно большим рабочим объемом, которые особенно неэффективны при малой нагрузке. В случае V12 можно отключить до 6 цилиндров. [1]
Две проблемы, которые необходимо преодолеть всем двигателям с переменным рабочим объемом, — это несбалансированное охлаждение и вибрация. [ необходима цитата ]
Самый старый технологический предшественник двигателя с переменным рабочим объемом — двигатель hit and miss , разработанный в конце 19 века. Эти одноцилиндровые стационарные двигатели имели центробежный регулятор , который отключал работу цилиндра до тех пор, пока двигатель работал выше установленной скорости, обычно удерживая выпускной клапан открытым.
.jpg/1280px-81_Cadillac_Sedan_de_Ville_V864_(13923375327).jpg)
Первые эксперименты с многоцилиндровыми двигателями во время Второй мировой войны [3] были повторены в 1981 году на злополучном двигателе Cadillac L62 "V8-6-4" . Технология стала стандартной функцией всех моделей Cadillac, за исключением Seville , у которой в качестве базового двигателя был дизельный двигатель V-8 350. Cadillac совместно с корпорацией Eaton разработала инновационную систему V-8-6-4, которая использовала первый в отрасли блок управления двигателем для переключения двигателя с 8- на 6- или 4-цилиндровый режим работы в зависимости от необходимой мощности. [3] Оригинальная многообъемная система отключала противоположные пары цилиндров, что позволяло двигателю иметь три различные конфигурации и объемы. Автомобили имели сложную процедуру диагностики, включая отображение кодов неисправностей двигателя на дисплее кондиционера. Однако система была проблемной, неправильно понятой клиентами, и ряд непредсказуемых отказов привел к быстрому отказу от технологии. [3]
В 1981 году Alfa Romeo совместно с Университетом Генуи разработала полуэкспериментальную версию двигателя переменного рабочего объема Alfa Romeo Alfetta , названную Alfetta CEM ( Controllo Elettronico del Motore , или Электронное управление двигателем), и показала ее на Франкфуртском автосалоне . [4] 130-сильный (96 кВт; 128 л. с.) 2,0-литровый модульный двигатель имел системы впрыска топлива и зажигания , управляемые блоком управления двигателем, который мог отключать два из четырех цилиндров по мере необходимости, чтобы снизить расход топлива. Первоначальная партия из 10 образцов была распределена среди водителей такси в Милане для проверки работы и производительности в реальных ситуациях. [4] [5] По данным Alfa Romeo, в ходе этих испытаний было обнаружено, что отключение цилиндров снижает расход топлива на 12% по сравнению с двигателем CEM с впрыском топлива без переменного рабочего объема и почти на 25% по сравнению с обычным серийным карбюраторным 2,0-литровым. [5] После первого испытания, в 1983 году, была выставлена на продажу небольшая серия из 1000 экземпляров, предложенная избранным клиентам; [4] было произведено 991 экземпляр. Несмотря на эту вторую экспериментальную фазу, проект не получил дальнейшего развития.
В 1982 году Mitsubishi разработала собственную систему переменного рабочего объема в форме MD (Modulated Displacement), которая доказала, что технология, впервые использованная в рядном четырехцилиндровом двигателе Mitsubishi 4G12 объемом 1,4 л , может успешно функционировать. [6] Поскольку система Cadillac оказалась неудачной, и был использован четырехцилиндровый двигатель, Mitsubishi провозгласила свою собственную систему первой в мире. [7] Позднее эта технология была использована в двигателях Mitsubishi V6. [8]
Система работала, отключая клапаны на цилиндрах номер 1 и 4 на скорости ниже 70 км/ч (43,5 миль/ч), на холостом ходу и при замедлении. Показатели расхода топлива в целом были примерно на 20 процентов лучше по сравнению с обычным двигателем 4G12. [9] Однако источники того времени жаловались на очень грубую работу двигателя в двухцилиндровом режиме, несмотря на специальные опоры двигателя с гидравлическим демпфированием. [10] Другие усилия, предпринятые для минимизации вибраций и жесткости, включали секцию гибкой выхлопной трубы, не включающую систему, пока температура охлаждающей жидкости не достигнет 70 °C, и на 70 процентов более тяжелый маховик. [11] Усилия Mitsubishi остались недолговечными, в основном из-за отсутствия реакции со стороны покупателей автомобилей. [12]
В 1993 году, через год после того, как Mitsubishi разработала собственную технологию изменения фаз газораспределения , был представлен вариант MIVEC -MD. Возрожденная технология MD теперь находилась во втором поколении с улучшенным электронным управлением двигателем, позволяющим переключаться с 4 на 2 цилиндра практически незаметно. В режиме MD двигатель MIVEC использует только два из четырех цилиндров, что значительно снижает потери энергии из-за насосных потерь. Кроме того, также снижаются потери мощности из-за трения двигателя. [7] В зависимости от условий система MIVEC-MD может снизить расход топлива на 10–20 процентов; хотя часть этого выигрыша достигается за счет системы изменения фаз газораспределения, а не за счет функции переменного рабочего объема. [8] Модулированное рабочее объем было прекращено примерно в 1996 году. [8]
Ряд компаний разработали системы дезактивации цилиндров для вторичного рынка с разной степенью успеха. Оценка Агентства по охране окружающей среды 1979 года Системы дезактивации автомобильных цилиндров (ACDS), которая позволяла восьмицилиндровым двигателям работать на четырех цилиндрах, обнаружила, что выбросы оксида углерода и оксида азота были увеличены сверх установленных законом пределов действующих тогда стандартов выбросов. [13] В то время как экономия топлива была увеличена, ускорение было серьезно скомпрометировано, а потеря вакуума двигателя привела к опасной потере помощи при торможении, когда система находилась в режиме четырех цилиндров. [13] В дополнение к этим проблемам, хотя компания предложила гидравлически управляемую систему, которую можно было переключать изнутри автомобиля, версию, которую они внедрили, приходилось вручную менять в моторном отсеке с помощью ручных инструментов. [13]
В настоящее время используются два основных типа механизмов отключения цилиндров, в зависимости от типа клапанного механизма двигателя. Первый тип предназначен для конструкций толкателей , в которых используются соленоиды для изменения давления масла, подаваемого на стопорные штифты в толкателях. При отсутствии стопорного штифта толкатели сжимаются и не могут поднять свои сопутствующие толкатели под коромыслами клапанов, что приводит к тому, что клапаны остаются закрытыми, когда кулачок нажимает на деталь, находящуюся в заторможенном состоянии.
Второй тип предназначен для двигателей с верхним расположением кулачков и использует пару запертых вместе коромысел, которые используются для каждого клапана. Один коромысло следует за профилем кулачка, в то время как другой приводит в действие клапан. Когда цилиндр деактивируется, соленоидное давление масла освобождает стопорный штифт между двумя коромыслами. В то время как один рычаг все еще следует за распределительным валом, разблокированный рычаг остается неподвижным и не перемещает клапан. [14] При компьютерном управлении быстрая деактивация и повторная активация цилиндра происходят почти мгновенно. [15]
В настоящее время в производстве двигателей ряда автопроизводителей используется система отключения цилиндров.
Технология переменного рабочего объема Active Cylinder Control (ACC) компании Daimler AG дебютировала в 2001 году на двигателе V12 объемом 5,8 л в моделях CL600 и S600.
Mercedes-Benz разработала свою систему Multi-Displacement System V12 в конце 1990-х годов, которая отключает каждый второй цилиндр в порядке зажигания. Она была широко распространена на двигателях V8 с толкателем, начиная с 2004 DaimlerChrysler Hemi .
Начиная с 2003 года Honda внедрила систему переменного управления цилиндрами на двигателях семейства J. Система Honda работает путем отключения рядов цилиндров, переключаясь с 6 на 4, а затем на 3 цилиндра.
В 2005 году GM представила свою систему деактивации цилиндров Active Fuel Management (в малом блоке Generation IV ), которая, подобно MDS Chrysler, отключала половину цилиндров. В 2018 году GM представила усовершенствованную систему под названием Dynamic Fuel Management [16], которая отключает любое количество цилиндров в различных комбинациях в зависимости от непосредственных потребностей. Система основана на Dynamic Skip Fire [17] , технологии, разработанной калифорнийской компанией Tula Technology [18] , а 6,2-литровый двигатель, включающий ее, был назван одним из 10 лучших двигателей Ward за 2019 год.
В 2012 году Volkswagen представил технологию Active Cylinder Technology (ACT), став первым производителем, применившим ее в четырехцилиндровых двигателях. [19]
В ноябре 2016 года Ford анонсировал свой компактный трехцилиндровый двигатель Ecoboost с деактивацией на одном из цилиндров. Это самый маленький двигатель на сегодняшний день, использующий деактивацию, и он позволит применять преимущества в малолитражных автомобилях. [20]
В ноябре 2017 года Mazda объявила о стандартной деактивации цилиндров во всех моделях CX-5 2018 года и о доступности этой функции в моделях Mazda6 . [21] [22]
По состоянию на 2020 модельный год около 15% легковых автомобилей, проданных в Соединенных Штатах, использовали систему отключения цилиндров, в основном ее используют Mazda (64%), GM (44%), Honda (24%) и FCA (23%). [23]
Изменяемая степень сжатия . Самой известной такой системой был экспериментальный двигатель Saab Variable Compression , в котором использовался шарнирный блок для перемещения поршней ближе к головке или дальше от нее, тем самым изменяя размер камер сгорания. Другие экспериментальные системы включают двигатель Hefley, в котором используется скользящая обойма коленчатого вала на эксцентриковом валу, [24] и двигатель Scalzo Piston Deactivation Engine, в котором используется четырехзвенная связь, и который отличается тем, что может полностью останавливать отдельные поршни. [25] В настоящее время нет серийных автомобилей, которые использовали бы любую из этих конструкций.
Кроме того, некоторые двигатели, такие как двигатели серии Northstar от Cadillac и двигатели Modular и Duratec от Ford , имеют отказоустойчивый режим, в котором при перегреве двигателя или потере охлаждающей жидкости контроллер двигателя отключает подачу топлива и искры на половину цилиндров. При неизменной работе клапанов несгораемые цилиндры будут охлаждать двигатель воздухом.