Сравнение КПД и удельного расхода современных бензиновых двигателей

Введение

Рост количества автомобилей, повышение требований к автомобилю по его надежности, экономичности, экологической безопасности и ездовым качествам предъявляет все более жесткие требования к конструкции двигателя, к системам питания, зажигания, устройствам снижения токсичности. Кроме того, конструкция силового агрегат определяется общей компоновкой автомобиля, размещением двигателя в подкапотном пространстве, доступностью отдельных узлов и агрегатов для диагностирования, обслуживания и ремонта. В частности, при поперечном расположении двигателя ограничивается его длина, поэтому обычно в рядных двигателях удается расположить не более пяти цилиндров. С точки зрения распределения нагрузки по осям для перед переднеприводных автомобилей оптимальным является расположение двигателя перед передней осью. Это ограничивает габариты двигателя по длине и высоте (для скошенной передней части капота). Одним из оригинальных конструктивных решений является применение двигателей с W-образным расположением цилиндров (двигатели автомобилей Volkswagen, Audi), [1].
К числу важнейших факторов, характеризующих двигатель, относится его надежность, включающая безотказность, износостойкость. Безотказность оценивается при испытании двигателя на моторном стенде. По российскому стандарту испытания проводятся на номинальном скоростном режиме при полной нагрузке (режим при котором изготовитель гарантирует заявленную мощность). Для двигателей легковых автомобилей время испытаний — 300 часов. По зарубежным методикам время испытаний еще больше (до 1000 часов).
Для выполнения современных норм Европы, США и ряда других регионов необходимо применение трехкомпонентных каталитических нейтрализаторов и систем питания с обратной связью по составу смеси. Периодически проводится выборочный контроль серийной продукции. В процессе эксплуатации в Европе предусматривается периодическая проверка данных, находящихся в памяти электронного блока о нарушении работы отдельных элементов двигателя, связанных с токсичностью отработавших газов.
Однако в эксплуатационных условиях России проверяются только концентрации двух компонентов (СО и СН) на двух режимах холостого хода при минимальной (nminхх) и повышенной (nпов) частотах вращения коленчатого вала, что также оказывает влияние на конструкцию двигателя. Нормы допустимой концентрации СО и СН и частоты вращения коленчатого вала должны устанавливаться завода ми-изготовителями. При отсутствии этих данных в Государственном стандарте 17.2.2.03 -87 с учетом изменений №1 даются предельно допустимые концентрации (СО — 3,5% при nminхх и 2% при nпов). Концентрация СН для двигателей с числом цилиндров до 4-х включительно не должна превышать соответственно указанным выше частотам вращения коленчатого вала – 1200 и 600 частей на миллион (млн-1 или ppm).
Для двигателей с большим числом цилиндров допустимая концентрация СН увеличена соответственно до 1000 и 3000 млн-1. Для автомобилей с каталитическим нейтрализатором допустимые концентрации СО снижены до 1% при nmin и 0,7% приnпов, а СН соответственно для двигателей с числом цилиндров до 4-х включительно — 400 и 200 млн-1 и 600 и 300 млн-1 с большим числом цилиндров при частоте вращения коленчатого вала nmin=800обмин, мин-1, nпов=3000обмин, мин-1 .
Для современных автомобилей главным образом применяются четырехтактные поршневые двигатели (бензиновые, газовые и дизельные). Для автомобилей малого и частично среднего классов сейчас в основном используются четырехтактные 2-х, 3-х и 4-х цилиндровые двигатели с рабочим объемом цилиндров до 2,5 л с их рядным или оппозитным расположением. Дня автомобилей среднего класса преимущественно применяются 5-ти, 6-ти, 8-ми цилиндровые двигатели с их рядным или V и W-образным расположением, имеющие рабочий объем свыше 2,5 л. На автомобили высшего класса обычно устанавливаются 8-ми, 10-ти и 12-ти цилиндровые двигатели с рабочим объёмом до 8 л., [2].


1 Основные параметры и характеристики современных автомобилей и их двигателей
В инструкциях по эксплуатации, каталогах, рекламных проспектах обычно приводятся основные показатели автомобилей и их агрегатов, которые позволяют получить только общее представление об особенностях каждой модели, их динамических и экономических показателях автомобиля и его агрегатах. Однако в различных источниках встречаются противоречивые данные. Обычно это определяется различиями в методах испытаний при оценке динамических экономических и экологических показателей, комплектации двигателей и др.
Динамика автомобиля оценивается по времени разгона автомобиля до 100 км/ч и максимальной скорости автомобиля при испытании на динамометрических дорогах автомобильных полигонов. Раньше иногда приводилось время прохождения 1 км при разгоне с места. Для автомобилей с высокими динамическими показателями последнее время стали приводиться результаты испытаний при разгоне автомобиля до 200 и даже до 250 км/ч.
Оценка динамических и экономических показателей производится по результатам заездов в двух противоположных направлениях, чтобы исключить влияние ветра и других случайных факторов. Перед стартом водитель-испытатель включает передачу, доводи т число оборотов двигателя почти до номинальных (5000-6000 об/мин), резко отпускает педаль сцепления и мгновенно нажимает на педаль акселератора за 0,07-0,1 с., [3].
В каталогах и инструкциях приводится внешняя скоростная характеристика (зависимость мощности, крутящего момента, удельного расхода топлива от частоты вращения коленчатого вала). Мощностные и экономические показатели двигателя определяются на моторном стенде путем замера крутящего момента, расхода топлива и частоты вращения коленчатого вала. Произведение этих показателей с учетом переходных коэффициентов определяет эффективную мощность двигателя (снимаемую с маховика) в кВт или л. с. Существует понятие — индикаторная мощность (эффективная плюс потери на трение и газообмен), характеризующая эффективность рабочего процесса двигателя. Для того чтобы при сравнительных испытаниях исключить влияние атмосферных условий (температуры и давления окружающей среды), вводится коэффициент приведения к нормальным атмосферным условия (давление 750 мм рт. ст., 25 ’С).
Существует два вида мощностных показателей: брутто и нетто. Брутто — это максимально возможная мощность (без воздушного фильтра, глушителя, при мощностных регулировках топливоподачи и зажигания и т.д.). Нетто — двигатель, укомплектованный для эксплуатации с заданными рс1улировками. С этой величины берется транспортный налог. Разница между брутто и нетто может доходить до 10%. Зарубежные стандарты отличаются от российских. Поэтому, например, превышение мощности по стандарту SAE (США) по сравнению с фактической доходит до 20%, [3].


2 Литературный обзор современных бензиновых двигателей производства Европы
Каждый год множество двигателей получают премию «Лучший двигатель года» в Европе и США. Казалось бы, вот они, лучшие представители двигателей внутреннего сгорания. На деле все обычно иначе: лучшие Двигатели по мнению авто журналистов совсем не то же самое, что лучшие Двигатели для автовладельцев

. Первые не обладают машинами, про которые пишут, и потому основной акцент в их выборе – на максимальных показателях экологичности и экономичности, иногда мощности.
Автовладельцев экологичность интересует в основном в виде низкого налога, экономичность – только реальная, а не в теоретическом ездовом цикле, а еще, конечно же, волнует надежность двигателя. Без надежности и низкой цены эксплуатации остальные качества не столь важны.
Важно сделать анализ из всех современных двигателей, из европейских производителей, которые производят высококачественные Двигатели с энергоэффективными показателями, высоким КПД и низким удельным расходом топлива.
Казалось бы, в малом классе практичных и надежных двигателей достаточно. Ведь практичны и сами машины, и их владельцы: они не готовы платить за бессмысленные навороты и высокую мощность. И производители прекрасно об этом знают, предлагая пусть и несколько старомодные, но надежные Двигатели, которые могут проехать и 200, и 300 тысяч километров до ремонта.
К числу безусловных лидеров по надежности и практичности можно отнести малообъемные атмосферные Двигатели от Opel и Ford, не отстает и Dacia – Renault и Fiat. Но эти версии доступны не во всех странах Европы. Максимальная гамма «старомодных» двигателей с рабочим объемом выше 1,5-1,6 литра доступна разве что в России и на периферии, [3].
Фордовские Двигатели серии 16v Sigma, более известные как Ford Duratec/Zetec SE 1.6 и 1.4. в основном представлены в России, Африке и ряде стран Восточной Европы. Для миникроссовера Ecosport и более крупного Focus в ряде комплектаций доступны Двигатели 1,5 и 1,6 серии Zetec-SE, минимально отличающейся от лучших представителей семейства – на них фазовращатели есть и на впускном и выпускном распредвалах, а значит они незначительно, но дороже в эксплуатации, чем менее форсированные варианты.
Важно отметить, что топовые комплектации Фокусов этих двигателей лишены – там либо турбодизели, либо бензиновые турбо Двигатели серии Ecoboost. Литровый трехцилиндровый и полуторалитровый четырехцилиндровый Двигатели с наддувом назвать надежными можно только со множеством оговорок. Такой форсированный двигатель с наддувом гораздо более уязвим, имеет больше отказов и меньший ресурс, хотя, по сути, Двигатели очень похожи на своих безнаддувных «братьев», [3].
Компания Opel тоже почти не предлагает двигателей «старой школы», так, для Astra K не осталось ни одного агрегата без турбонаддува, хотя на еще продающейся Astra J они предлагаются с 1,6-литровым двигателем мощностью 116 л. с. (A16XER). Это двигатель с ременным приводом ГРМ и фазоврашателями не уступает фордовским по выносливости. Удивительно, но для Insignia предлагается старый добрый A18XER на 149 л. с, знакомый всем российским опелеводам.
20726409969500


Рисунок 1.1 – Двигатель Opel Insignia
Для Corsa и Astra J есть неплохие Двигатели 1,4 мощностью 75, 90 и 100 л. с. – это давно всем знакомые A14XE, A14XEP и A14XER из более компактного семейства Ecotec Family 0. Они немного сложнее, но тем не менее заслужили неплохую репутацию. К тому же, пара фазовращателей на более мощном варианте делает его еще немного дороже в эксплуатации, чем старые серии «экотеков» с ременным приводом распредвалов, [3].
Европейский Logan под маркой Dacia предлагает только мотор 1,2 мощностью 75 л. с. серии D4F без наддува – с таким у нас эти машины не продавали. Остальные двигатели строго с турбинами. Впрочем, на сравнительно легкой машине малообъемный мотор имеет вполне приемлемый ресурс, особенно в европейских условиях.
Куда лучше получилось у Fiat, они предлагают для Punto, Panda и Doblo простые Двигатели 1,2 и 1,4 литра серии FIRE/T-Jet без наддува и очень надежные. Не кривите рот, итальянцы делают очень неплохие машины и даже очень неплохие Двигатели. Сравнительно простые и надежные, привод распредвала – ремнем, всего один фазовращатель на шестнадцатиклапанном и на восьмиклапанном моторе. В дополнение чугунный блок, простая система впрыска и некоторая даже кондовость. Впрочем, есть более замысловатые варианты двигателей, и с наддувом, и с более сложным впуском.
19488159398000


Рисунок 1.2 –Двигатель Renault Logan
Как ни странно, Двигатели без наддува остались и у корпорации VW: так, например, Skoda предлагает трехцилиндровые Двигатели MPI. Причем это новая серия ЕА211, известная по собираемым теперь в России моторам 1.6 MPI той же серии. Тот же привод распредвалов ремнем, фазовращатели, продвинутый электрический термостат и ГБЦ со встроенным выпускным коллектором. И при этом очень небольшое число нареканий, во всяком случае, за те два года, которые выпускается эта серия двигателей. Двигатели моделей CHYA и CHYB имеют мощность в 60 и 75 л. с., и маленькой машинке этого хватает, вряд ли ресурс будет сильно ограничен.
У PSA в этом классе только не самые удачные Двигатели серии Prinz, так что к надежным их можно отнести только с большой натяжкой, [2,3].
Европа уже давно привыкает к новым реалиям, в которых за обслуживание машины снова нужно платить, и платить немало, зато расход топлива в теории можно сделать чуть меньше. На практике, впрочем, это неосуществимо – американские методики демонстрируют преимущество атмосферных двигателей в экономичности. Правда, там и ездовой цикл не столь надуман, как европейский, и нагрузка выше.
215773010922000


Рисунок 1.3 –Двигатель Opel Meriva
Серию двигателей обновили в 2012 году, добавив фазовращатели на выпускном валу, что немного улучшило характеристики и подняло максимальный момент для этих крошек до 220 Нм. Пробеги до серьезного ремонта тут – неприлично высоки для турбомоторчиков, все 180-200 тысяч до первых серьезных проблем. Разве что турбина подведет раньше.
Неплохо выглядят уже очень старые двигатели серии A28NEL/A28NET – это 2,8 литра V6 с наддувом и обычным распределенным впрыском все также страдают малым ресурсом ГРМ и склонностью к перегреву, однако других проблем у них нет.
Двигатели Volkswagen 1.4 TSI серии ЕА211 оказываются в числе лидеров в этой номинации. Серия достаточно новая, но уже можно сделать выводы о надежности. Устранив слабые места старых двигателей 1.4TSI в виде неудачного привода ГРМ, слабой поршневой группы, чехарды с топливными насосами, не очень удачной системы вентиляции картера и интеркулера, компания получила серьезный выигрыш в отказоустойчивости. А качество системы управления мотора и без того было высоким. Пробег в 150-200 тысяч км такой мотор точно может преодолеть, но это в условиях щадящей, не очень интенсивной эксплуатации. Пока основным раздражающим фактором являются сбои системы непосредственного впрыска, детские болезни нового поколения двигателей и слабые турбины.
Двигатели серии EA888 Gen3. Несмотря на очередное облегчение блока, коленчатого вала, алюминиевые болты и пластиковый поддон, число отказов невелико. А благодаря очередной, наверное, уже двадцатой по счету замене поршневой группы, они наконец-то перестали, есть масло при пробегах меньше 100 тысяч километров