Инновационные двигатели для достижения государственных стандартов на топливо

В последние годы инновации в области двигателей были обусловлены стремлением к большей экономии топлива при сохранении равных характеристик. Государственное регулирование и рост цен на топливо вынуждают автопроизводителей разрабатывать новые, более эффективные технологии. В ближайшие годы мы увидим больше автомобилей с уменьшенными размерами, а также гибридных и «чистодизельных» автомобилей. Средняя экономия топлива в 2011 году составила 27,3 мили на галлон по сравнению с предыдущим десятилетием. Средний показатель для легковых автомобилей составлял 30,2 мили на галлон, а для легких грузовиков — 24,1 мили на галлон. Внедорожники и грузовики составляют более половины продаж автомобилей в США и снижают среднюю экономию топлива в целом. К 2016 году правительство хочет, чтобы легковые автомобили достигли среднего расхода топлива 39 миль на галлон, а грузовики — 30 миль на галлон с общим средним показателем 35,5 миль на галлон. Это позволит сэкономить примерно 1,8 миллиарда баррелей нефти и сократить выбросы парниковых газов на 900 миллионов метрических тонн. Как производители автомобилей достигнут этих целей? Уменьшая размер транспортных средств, уменьшая размер и вес транспортных средств и используя меньшие по размеру и более экономичные двигатели.

Альтернативные движки

Гибриды были популярны в последнее время, но составляют лишь 2,5% всех продаж новых автомобилей. Гибридное производство ограничено стоимостью производства (в среднем около 3000 долларов США за автомобиль) и ограниченным производством аккумуляторов. Ожидается, что к 2016 году количество гибридных/подключаемых электромобилей вырастет до 1,5 миллионов. Для сравнения, ожидается, что к 2016 году продажи «чистого дизельного топлива» резко вырастут с 680 000 до более чем 9 млн. В Европе более половины всех продаж новых автомобилей приходится на дизельные двигатели.

Рост экономии топлива

Бензиновые двигатели внутреннего сгорания развивались с первых дней появления автомобилей. Контроль выбросов, необходимый в 1960-х и 70-х годах, снижал производительность, но делал двигатели более эффективными, чем когда-либо прежде. Наибольшее увеличение на сегодняшний день произошло благодаря изобретению электронного впрыска топлива и управления двигателем, а также уменьшению трения между внутренними механизмами.

Повышение мощности

Турбонаддув и наддув также повысили экономию топлива, позволив меньшим четырех- и шестицилиндровым двигателям развивать мощность, равную V8. Турбокомпрессор использует горячие выхлопные газы для вращения турбины, чтобы нагнетать больше воздуха в цилиндры. Нагнетатель использует компрессор с ременным приводом для увеличения давления наддува. Суперчарджеры используются в основном на автомобилях с высокими характеристиками, а турбокомпрессоры используются в широком спектре транспортных средств. Непосредственный впрыск бензина (GDI) также помогает улучшить экономию топлива за счет впрыска бензина непосредственно в камеру сгорания, а не во впускное отверстие. Предполагается, что каждый пятый автомобиль, выпущенный в следующем году, будет оснащен топливной системой GDI.

Не трать зря, не хочу

Отключение цилиндров увеличивает экономию топлива при низких нагрузках на некоторых двигателях на 10-20%. Деактивацию цилиндра не следует путать с системой изменения фаз газораспределения (VVT). VVT использует фазовращатели кулачков на концах распределительных валов, чтобы либо опережать, либо замедлять относительную синхронизацию кулачков. Давление масла приводит в движение механизм внутри кулачкового фазовращателя, который позволяет шестерне сдвигаться на несколько градусов в ту или иную сторону, чтобы изменить фазы газораспределения.

По дороге

В не столь отдаленном будущем ряд новых технологий будет использоваться для улучшения экономии топлива. Одной из таких технологий может быть устранение стартера с использованием прямого впрыска для запуска двигателя. Благодаря прямому впрыску степень сжатия бензиновых двигателей увеличивается почти до уровня дизельных двигателей. Двигатели меньшего объема с турбонаддувом заменят безнаддувные двигатели V8 и V6. Турбины будущего могут приводиться в движение электродвигателем, а не горячими выхлопными газами. Турбина с электроприводом может раскручиваться независимо от частоты вращения двигателя или нагрузки, чтобы обеспечить мгновенный наддув, а избавление от турбинного колеса, приводимого в действие выхлопом, также избавляет от тепла, что позволяет турбине работать намного холоднее и работать намного дольше. Изменяемые фазы газораспределения также могут использоваться для создания нетрадиционных тактов сжатия и рабочего хода. К ним относятся цикл сжатия «Аткинсона», когда клапаны открываются позже, чтобы создать более длинный рабочий такт, или цикл «Миллера», когда впускные клапаны открываются дольше, чем обычно, во время такта сжатия. Обе техники улучшают эффективность и мощность дыхания, но требуют других приемов, чтобы заставить их работать. Высокоскоростные электрические соленоиды, такие как те, которые используются в некоторых двигателях Формулы-1, могут в конечном итоге найти свое применение в некоторых серийных двигателях, полностью исключая обычные кулачки, подъемники и коромысла.

Никто не видит надвигающейся гибели поршневых двигателей (бензиновых или дизельных) в ближайшее время. Хотя есть некоторые электромобили, которые не используют бензин или предназначены только для поездок на большие расстояния, эти автомобили будут довольно ограничены из-за затрат.