Со всей шумихой вокруг гибридных, электрических и альтернативных топливных автомобилей легко подумать, что эпоха бензиновых двигателей закончилась. Когда у вас есть автомобили, работающие на водороде или подключаемые к розетке, двигатель внутреннего сгорания может показаться совершенно устаревшим.
Но факт остается фактом: подавляющее большинство автомобилей, продаваемых в США, оснащены бензиновыми двигателями. Доминирование газовых двигателей на автомобильном рынке сохранится в обозримом будущем. Производители автомобилей используют бензиновые двигатели по многим причинам. Люди привыкли к ним, есть инфраструктура, которая их поддерживает, и они прекрасно вписываются в то, как большинство американцев используют свои автомобили.
Это не значит, что у бензиновых двигателей нет недостатков. Они загрязняют окружающую среду и зависят от бензина, что делает американских водителей зависимыми от колебаний цен на топливо. Хотя двигатель автомобиля на подъездной дорожке имеет много общего с двигателями самых ранних автомобилей, новые инновации в технологии двигателей позволили автопроизводителям устранить некоторые проблемы, связанные с бензиновыми автомобильными двигателями. Улучшения в мощности, эффективности использования топлива и выбросов позволяют людям водить те типы автомобилей, которые им нравятся, а также сокращают объемы выбросов, которые они загрязняют, и деньги, которые они тратят на бензин.
Глядя на некоторые из новых технологий, которые улучшают экономию топлива всего на несколько миль на галлон, может показаться, что это не так много, но имейте в виду, что почти все автомобили на дорогах используют бензиновые двигатели, небольшие улучшения имеют большое влияние по всей стране. В настоящее время электрические и гибридные автомобили составляют лишь около 2% автомобилей на дорогах. Повышение эффективности остальных 98 процентов экономит деньги, снижает зависимость от иностранной нефти и сокращает загрязнение окружающей среды, сохраняя при этом новые автомобили доступными и привлекательными для большинства покупателей.
Один из способов, которым автопроизводители модернизируют бензиновые двигатели, — это изменение фаз газораспределения и подъема. Чтобы понять, как это работает, вам потребуется базовое понимание того, как работает автомобильный двигатель.
В двигателе клапаны открываются и закрываются, чтобы контролировать, как поступает топливно-воздушная смесь и как выхлопные газы выходят из камеры сгорания. В большинстве бензиновых двигателей клапаны открываются на одно и то же время и на одно и то же расстояние независимо от того, насколько интенсивно работает двигатель. Насколько усердно работает двигатель, называется его скоростью. Скорость двигателя не отслеживает, насколько быстро автомобиль движется по дороге. Вместо этого скорость двигателя относится к тому, насколько быстро вращается коленчатый вал двигателя. Это вращение происходит от поршней в цилиндрах двигателя. Чем быстрее они едут, тем выше обороты двигателя и тем больше работает двигатель.
Представьте, что вы очень усердно тренируетесь. Вам понадобится много топлива в виде калорий и много воздуха. Двигатель вашего автомобиля устроен точно так же, только в качестве топлива он использует газ, а не калории. Когда вы просто идете пешком, вам не нужно столько калорий и воздуха. Так же и с вашим двигателем. Если клапаны двигателя открываются на одно и то же время и одинаково широко, независимо от того, насколько интенсивно работает двигатель, часть топлива будет потрачена впустую. Это связано с тем, что двигатель получает одинаковое количество топлива и воздуха, независимо от того, движется он накатом или буксирует тяжелый груз.
Изменяя время и расстояние, на которое открываются клапаны, двигатель получает ровно столько топлива и воздуха, сколько необходимо для выполнения текущей задачи. На самом деле, изменение фаз газораспределения и подъемной силы может сделать бензиновый двигатель примерно на 5 процентов более эффективным [источник: Министерство энергетики США].
Отключение цилиндров работает по тому же принципу, что и изменение фаз газораспределения и подъема: двигателю требуется разное количество топлива для разных видов работы.
Возьмем, к примеру, двигатель V-8. Двигатель V-8 имеет восемь цилиндров. Всякий раз, когда двигатель включен, все восемь цилиндров работают, сжигая топливо и воздух. Они есть у большинства автомобилей, грузовиков и внедорожников с двигателями V-8, потому что, как правило, чем больше цилиндров у двигателя, тем он мощнее. Вот почему вы обычно видите двигатели V-8 в спортивных автомобилях или большегрузных грузовиках. Но, хотя людям нравятся двигатели V-8, потому что они работают быстро и могут тянуть тяжелые грузы, большинство людей не делают этого постоянно.
Вот где вступает в действие деактивация цилиндров. Деактивация цилиндров отключает ряд цилиндров двигателя, когда они не нужны. Это означает, что когда легковой или грузовой автомобиль поддерживает постоянную скорость и не ускоряется, некоторые цилиндры не используются. Поскольку они не используются, они также не получают газа, что позволяет экономить топливо. Технология деактивации цилиндров использовалась на легковых и грузовых автомобилях с двигателем V-8 в течение последних нескольких лет, но некоторые автопроизводители начинают добавлять ее и в свои шестицилиндровые двигатели. Подсчитано, что технология деактивации цилиндров может повысить КПД двигателя на 7,5% [источник: Министерство энергетики США].
Еще один способ улучшения бензиновых двигателей — изменение пути поступления топлива в камеру сгорания. В бензиновом двигателе топливо и воздух используют искру для воспламенения в камере сгорания. Но исследователи обнаружили, что нагревая и повышая давление топлива перед его впрыском в камеру сгорания, они могут воспламенить топливо без искры — примерно так работает дизельный двигатель. Этот процесс помогает ему сгорать чище и эффективнее, уменьшая количество топлива, необходимого двигателю для работы.
Обычный бензиновый двигатель имеет степень сжатия примерно 10:1 (или чуть меньше). Тем не менее, новый двигатель от Mazda (тот, который в настоящее время продается в Японии) использует эту технологию и имеет степень сжатия 14:1. Mazda Demio сообщает о расходе 70 миль на галлон (29,8 км на литр).
Одна из проблем с повышенной степенью сжатия заключается в том, что топливо может воспламениться преждевременно, вызывая так называемый стук в двигателе. Чтобы этого не произошло, системы прямого впрыска распыляют тонкий туман топлива прямо в цилиндр (обычно воздух и топливо смешиваются в отверстии перед поступлением в систему). Это помогает снизить температуру двигателя и уменьшить детонацию. Непосредственный впрыск топлива может повысить эффективность двигателя на 12 процентов [источник: Министерство энергетики США].
Может показаться странным говорить о турбокомпрессорах как о способах экономии топлива. В конце концов, они обычно ассоциируются с высокопроизводительными автомобилями, которые точно не известны своей экономией топлива.
Турбокомпрессоры — это вентиляторы, работающие на газах из выхлопной системы автомобиля. Они позволяют большему количеству сжатого воздуха поступать в цилиндр. Это обеспечивает более высокую степень сжатия (точно так же, как прямой впрыск топлива) и, следовательно, более эффективное сгорание. Думайте о турбокомпрессоре как о непосредственном впрыске воздушной части воздушно-топливной смеси двигателя.
В то время как использование турбокомпрессора позволяет спортивным автомобилям генерировать еще больше мощности, установка на них двигателя меньшего размера позволяет им выполнять ту же работу, что и двигатель большего размера, и это экономит топливо. В 2011 году Ford добавил двигатель V-6 с турбонаддувом в линейку двигателей для своих грузовиков F-150. Названные двигателями EcoBoost, они доказывают, что вам не нужен V-8 в пикапе. С турбокомпрессором двигатель EcoBoost в F-150 2011 года развивает мощность 365 лошадиных сил, крутящий момент 420 фунт-футов и может буксировать до 11 300 фунтов (5 126 кг). Для сравнения, базовый V-8 в F-150 развивает мощность 360 лошадиных сил и крутящий момент 380 фунт-футов. EcoBoost V-6 в F-150 не только обеспечивает большую мощность, но и обеспечивает лучшую топливную экономичность, чем V-8. По данным EPA, в полноприводном варианте он расходует 16/22 миль на галлон (6,8/9,4 км на литр) по городу/шоссе, в то время как базовый V-8 расходует 15/21 миль на галлон (6,4/8,9 км на литр). город/трасса.
Самая большая переменная в том, сколько газа использует двигатель, не полностью зависит от его технологии. Это в том, как он управляется. На самом деле все просто: нажмите на педаль акселератора, и вы будете использовать больше газа, чем тот, кто ускоряется постепенно. Есть причина, по которой оценки экономии топлива всегда отмечают, что ваш пробег может варьироваться.
Но автомобильные компании находят способы обучать водителей более эффективному вождению. Сообщая водителю, когда он едет эффективно, двигатель может тратить больше времени на работу на уровнях, оптимизирующих эффективность. Например, Kia Forte и Honda Odyssey 2011 года имеют зеленые индикаторы на приборной панели, которые указывают на эффективное вождение автомобиля. И они не единственные — несколько автопроизводителей имеют схожие показатели эффективности водителя. Производители надеются, что водители будут воспринимать включение индикатора эффективности как своего рода игру, повышающую общую эффективность и снижающую расход топлива.
Еще одна функция, которая есть у многих новых автомобилей, — это то, что называется эко-режимом. В то время как эко-режимы распространены на гибридах, автопроизводители начинают добавлять их и в автомобили, работающие только на бензине. В большинстве автомобилей эко-режим активируется нажатием кнопки. Это изменяет характеристики переключения передач, чтобы двигатель работал на более низких скоростях. Поскольку двигатель работает не так усердно, он потребляет меньше топлива. Хотя эко-режим работает не во всех дорожных ситуациях (например, он может обеспечить некоторое отставание на шоссе), при езде по городу он определенно может помочь вам использовать меньше бензина.
Для получения дополнительной информации о новых технологиях бензиновых двигателей и других связанных темах перейдите по ссылкам на следующей странице.