Co to jest skrót?

W ostatnich latach basen europejski stał się najmniejszym ze wszystkiego, z czym styka się przeciętny człowiek. Dotyczy to w szczególności płac realnych, telefonów komórkowych, laptopów, kosztów firmy lub wielkości silnika i emisji. Niestety cięcia kadrowe nie dotknęły jeszcze tak zrujnowanej administracji publicznej czy państwowej. Jednak znaczenie słowa „redukcja” w branży motoryzacyjnej nie jest tak nowe, jak mogłoby się wydawać na pierwszy rzut oka. Pod koniec zeszłego stulecia również na pierwszym etapie pojawiły się silniki wysokoprężne, które dzięki doładowaniu i nowoczesnemu wtryskowi bezpośredniemu zachowały lub zmniejszyły swoją objętość, ale przy znacznym wzroście parametrów dynamicznych silnika.

Nowoczesna era „świtowych” silników benzynowych rozpoczęła się wraz z pojawieniem się jednostki 1,4 TSi. Na pierwszy rzut oka to samo w sobie nie wygląda na downsizing, co potwierdziło również włączenie go do oferty Golfa, Leona czy Octavii. Zmiana perspektywy nastąpiła dopiero, gdy Škoda zaczęła montować silnik 1,4 TSi o mocy 90 kW w swoim największym modelu Superb. Prawdziwym przełomem było jednak zamontowanie silnika 1,2 TSi o mocy 77 kW w stosunkowo dużych samochodach, takich jak Octavia, Leon, a nawet VW Caddy. Dopiero wtedy zaczęły się prawdziwe i jak zawsze najmądrzejsze występy pubowe. Wyrażenia takie jak: „nie ciągnie się, nie pociągnie długo, nie ma zamiennika głośności, ośmiokąt ma silnik materiałowy, słyszałeś o tym?” Były więcej niż powszechne nie tylko w czwartej cenie urządzeń, ale także w internetowych dyskusjach. Downsizing wymaga logicznego wysiłku ze strony producentów pojazdów, aby poradzić sobie z ciągłą presją na zmniejszenie zużycia paliwa i znienawidzonych emisji. Oczywiście nie ma nic za darmo, a nawet redukcja to nie tylko korzyści. Dlatego w kolejnych linijkach omówimy bardziej szczegółowo, czym jest downsizing, jak on działa i jakie są jego zalety lub wady.

Co to jest skrót i powody

Downsizing to zmniejszenie pojemności skokowej silnika spalinowego przy zachowaniu tej samej lub nawet większej mocy wyjściowej. Równolegle ze zmniejszeniem objętości doładowanie odbywa się za pomocą turbosprężarki lub sprężarki mechanicznej lub kombinacji obu metod (VW 1,4 TSi - 125 kW). Oprócz bezpośredniego wtrysku paliwa, zmiennych faz rozrządu, skoku zaworów itp. Dzięki tym dodatkowym technologiom do cylindrów dostaje się więcej powietrza (tlenu) potrzebnego do spalania, a ilość dostarczanego paliwa może zostać proporcjonalnie zwiększona. Oczywiście taka sprężona mieszanka powietrza i paliwa zawiera więcej energii. Wtrysk bezpośredni w połączeniu ze zmiennym rozrządem i wzniosem zaworów z kolei optymalizuje wtrysk paliwa i zawirowanie, co dodatkowo zwiększa efektywność procesu spalania. Ogólnie rzecz biorąc, mniejsza objętość cylindra wystarcza do uwolnienia tej samej energii, co większe i porównywalne silniki bez zmniejszania rozmiaru.

Jak już wskazano na początku artykułu, pojawienie się obniżek wynika głównie z zaostrzenia prawodawstwa europejskiego. Głównie chodzi o redukcję emisji, podczas gdy najbardziej widoczne jest dążenie do redukcji emisji CO we wszystkich dziedzinach.₂... Jednak na całym świecie limity emisji są stopniowo zaostrzane. Zgodnie z rozporządzeniem Komisji Europejskiej, europejscy producenci samochodów zobowiązali się do osiągnięcia limitu emisji 2015 g CO130 do XNUMX roku.₂ na km, wartość ta jest obliczana jako średnia wartość dla floty samochodów wprowadzonych na rynek w ciągu jednego roku. Silniki benzynowe odgrywają bezpośrednią rolę w downsizingu, chociaż pod względem wydajności są bardziej skłonne do zmniejszenia zużycia (tj. również CO₂) niż diesle. Utrudnia to jednak nie tylko wyższą cenę, ale także stosunkowo problematyczną i kosztowną eliminację szkodliwych emisji w spalinach, takich jak tlenki azotu – NO_x, tlenek węgla – CO, węglowodory – HC czy sadza, do usuwania których stosuje się drogi i wciąż stosunkowo problematyczny filtr DPF (FAP). W ten sposób małe diesle stają się stopniowo coraz bardziej złożone, a małe samochody są odtwarzane za pomocą mniejszych skrzypiec. Pojazdy hybrydowe i elektryczne również konkurują z downsizingiem. Chociaż ta technologia jest obiecująca, jest znacznie bardziej złożona niż stosunkowo prosta redukcja, a jednocześnie zbyt droga dla przeciętnego obywatela.

Trochę teorii

Powodzenie downsizingu zależy od dynamiki silnika, zużycia paliwa i ogólnego komfortu jazdy. Moc i moment obrotowy na pierwszym miejscu. Produktywność to praca wykonywana w czasie. Pracę przedstawioną podczas jednego cyklu silnika spalinowego o zapłonie iskrowym wyznacza tzw. cykl Otto.

Oś pionowa to ciśnienie nad tłokiem, a oś pozioma to objętość cylindra. Praca jest określona przez pole ograniczone krzywymi. Wykres ten jest wyidealizowany, ponieważ nie uwzględniamy wymiany ciepła z otoczeniem, bezwładności powietrza wpływającego do cylindra oraz strat powodowanych przez wlot (niewielkie podciśnienie w stosunku do ciśnienia atmosferycznego) lub wylot (niewielkie nadciśnienie). A teraz opis samej historii, pokazany na schemacie (V). Pomiędzy punktami 1-2 balon napełnia się mieszanką – objętość wzrasta. Pomiędzy punktami 2-3 następuje sprężanie, tłok pracuje i spręża mieszankę paliwowo-powietrzną. Pomiędzy punktami 3-4 zachodzi spalanie, objętość jest stała (tłok znajduje się w górnym martwym punkcie), a mieszanka paliwowa pali się. Energia chemiczna paliwa jest zamieniana na ciepło. Między punktami 4-5 spalona mieszanka paliwowo-powietrzna działa - rozpręża się i wywiera nacisk na tłok. W paragrafach 5-6-1 występuje przepływ wsteczny, czyli wydech.

Im bardziej zasysamy mieszankę paliwowo-powietrzną, tym więcej energii chemicznej jest uwalniane, a pole pod krzywą zwiększa się. Efekt ten można osiągnąć na kilka sposobów. Pierwszą opcją jest odpowiednio zwiększenie objętości cylindra. cały silnik, który w tych samych warunkach osiągniemy większą moc – krzywa będzie rosnąć w prawo. Innymi sposobami przesunięcia wzniosu krzywej w górę jest np. zwiększenie stopnia sprężania lub zwiększenie mocy do pracy w czasie i wykonanie kilku mniejszych cykli jednocześnie, czyli zwiększenie obrotów silnika. Obie opisane metody mają wiele wad (samozapłon, większa wytrzymałość głowicy cylindrów i jej uszczelnień, zwiększone tarcie przy wyższych prędkościach - opiszemy później, wyższa emisja, siła działająca na tłok jest wciąż mniej więcej taka sama), natomiast samochód ma relatywnie duży przyrost mocy na papierze, ale moment obrotowy niewiele się zmienia. W ostatnim czasie, choć japońskiej Mazdzie udało się wyprodukować seryjnie silnik benzynowy o niezwykle wysokim stopniu sprężania (14,0:1) o nazwie Skyactive-G, który może pochwalić się bardzo dobrymi parametrami dynamicznymi przy korzystnym zużyciu paliwa, to jednak większość producentów nadal korzysta z jednej z możliwości aby zwiększyć objętość pola pod krzywą. A to ma na celu sprężenie powietrza przed wejściem do cylindra przy zachowaniu objętości - przelew.

Wtedy wykres p (V) cyklu Otto wygląda tak:

Ponieważ ładunek 7-1 występuje przy innym (wyższym) ciśnieniu niż wylot 5-6, powstaje inna krzywa zamknięta, co oznacza, że ​​w nieczynnym skoku tłoka wykonywana jest dodatkowa praca. Można to wykorzystać, jeśli urządzenie sprężające powietrze jest zasilane pewną nadwyżką energii, którą w naszym przypadku jest energia kinetyczna spalin. Takim urządzeniem jest turbosprężarka. Stosowana jest również sprężarka mechaniczna, ale należy wziąć pod uwagę pewien procent (15-20%) wydawany na jej pracę (najczęściej napędzany jest wałem korbowym), dlatego część górnej krzywej przesuwa się do dolnej jeden bez żadnego efektu.

Przyjdziemy na chwilę, gdy będziemy przytłoczeni. Zasysanie silnika benzynowego istnieje od dawna, ale głównym celem było zwiększenie osiągów, podczas gdy zużycie nie było specjalnie przesądzone. Tak więc turbiny gazowe ciągnęły ich za sobą o życie, ale też zjadali trawę przy drodze, naciskając gaz. Powodów było kilka. Po pierwsze, zmniejsz stopień sprężania tych silników, aby wyeliminować spalanie stukowe. Pojawił się również problem z chłodzeniem turbo. Przy dużych obciążeniach mieszankę trzeba było wzbogacać paliwem w celu schłodzenia spalin, a tym samym ochrony turbosprężarki przed wysokimi temperaturami spalin. Co gorsza, energia dostarczana przez turbosprężarkę do powietrza doładowującego jest częściowo tracona przy częściowym obciążeniu z powodu hamowania przepływu powietrza na zaworze dławiącym. Na szczęście obecna technologia już teraz pomaga zmniejszyć zużycie paliwa, nawet gdy silnik jest turbodoładowany, co jest jednym z głównych powodów downsizingu.

Konstruktorzy nowoczesnych silników benzynowych starają się zainspirować te silniki Diesla, które pracują na wyższym stopniu sprężania i przy częściowym obciążeniu przepływ powietrza przez kolektor dolotowy nie jest ograniczany przez przepustnicę. Niebezpieczeństwo stukania spowodowane wysokim stopniem sprężania, które może bardzo szybko zniszczyć silnik, jest eliminowane przez nowoczesną elektronikę, która znacznie dokładniej niż do niedawna kontroluje kąt wyprzedzenia zapłonu. Dużą zaletą jest również zastosowanie bezpośredniego wtrysku paliwa, w którym benzyna odparowuje bezpośrednio w cylindrze. W ten sposób mieszanka paliwowa jest skutecznie schładzana, a także zwiększa się granica samozapłonu. Należy również wspomnieć o rozpowszechnionym obecnie systemie zmiennych faz rozrządu, który pozwala w pewnym stopniu wpływać na rzeczywisty stopień sprężania. Tak zwany cykl Millera (nierównomiernie długi skok skurczu i rozprężenia). Poza zmiennymi fazami rozrządu, zmienny wznios zaworów pomaga również zmniejszyć zużycie paliwa, co może zastąpić sterowanie przepustnicą, a tym samym zmniejszyć straty na ssaniu – poprzez spowolnienie przepływu powietrza przez przepustnicę (np. Valvetronic z BMW).

Przeładowanie, zmiana rozrządu, skok zaworu lub stopień sprężania nie jest panaceum, dlatego projektanci muszą wziąć pod uwagę inne czynniki, które w szczególności wpływają na końcowy przepływ. Obejmują one w szczególności redukcję tarcia, a także przygotowanie i spalanie samej mieszanki zapalającej.

Projektanci od dziesięcioleci pracują nad zmniejszeniem tarcia ruchomych części silnika. Trzeba przyznać, że zrobili ogromny postęp w dziedzinie materiałów i powłok, które obecnie mają najlepsze właściwości cierne. To samo można powiedzieć o olejach i smarach. Nie pominięto samej konstrukcji silnika, gdzie zoptymalizowano wymiary części ruchomych, łożysk, kształt pierścieni tłokowych i oczywiście liczbę cylindrów. Prawdopodobnie najbardziej znanymi obecnie silnikami o „mniejszej” liczbie cylindrów są trzycylindrowe silniki EcoBoost Forda lub dwucylindrowe TwinAir Fiata. Mniej cylindrów oznacza mniej tłoków, korbowodów, łożysk lub zaworów, a zatem logicznie całkowite tarcie. Z pewnością istnieją pewne ograniczenia w tym obszarze. Pierwszym z nich jest tarcie, które jest zmagazynowane na brakującym cylindrze, ale w pewnym stopniu kompensowane przez dodatkowe tarcie w łożyskach wałka wyrównoważającego. Kolejne ograniczenie wiąże się z liczbą cylindrów czy kulturą pracy, które znacząco wpływają na wybór kategorii pojazdu, którym silnik będzie jeździł. Obecnie nie do pomyślenia, na przykład BMW, znane z nowoczesnych silników, zostało wyposażone w buczący dwucylindrowy silnik. Ale kto wie, co będzie za kilka lat. Ponieważ tarcie rośnie z kwadratem prędkości, producenci nie tylko zmniejszają samo tarcie, ale także starają się projektować silniki tak, aby zapewniały odpowiednią dynamikę przy możliwie najniższych prędkościach. Ponieważ tankowanie atmosferyczne małego silnika nie radzi sobie z tym zadaniem, ponownie przychodzi na ratunek turbosprężarka lub turbosprężarka połączona ze sprężarką mechaniczną. Jednak w przypadku doładowania wyłącznie turbosprężarką nie jest to łatwe zadanie. Należy zaznaczyć, że turbosprężarka posiada znaczną bezwładność obrotową turbiny, co tworzy tzw. turbodierę. Turbina turbosprężarki jest napędzana spalinami, które najpierw muszą być wytwarzane przez silnik, tak aby od momentu wciśnięcia pedału przyspieszenia do oczekiwanego rozpoczęcia ciągu silnika upłynęło pewne opóźnienie. Oczywiście różne nowoczesne układy turbodoładowania starają się mniej lub bardziej skutecznie zrekompensować tę dolegliwość, a na ratunek przychodzą nowe udoskonalenia konstrukcyjne turbosprężarek. Tak więc turbosprężarki są mniejsze i lżejsze, reagują coraz szybciej przy wyższych prędkościach. Kierowcy zorientowani na sport, wychowani na szybkich silnikach, obwiniają taki „wolnoobrotowy” turbodoładowany silnik za słabą reakcję. brak gradacji mocy wraz ze wzrostem prędkości. Tak więc silnik ciągnie emocjonalnie na niskich, średnich i wysokich obrotach, niestety bez mocy szczytowej.

Skład samej palnej mieszanki nie odstawał. Jak wiadomo, silnik benzynowy spala tak zwaną jednorodną stechiometryczną mieszankę powietrza i paliwa. Oznacza to, że na 14,7 kg paliwa - benzyny przypada 1 kg powietrza. Ten stosunek jest również określany jako lambda = 1. Wspomnianą mieszaninę benzyny i powietrza można również spalać w innych stosunkach. Jeżeli stosujesz ilość powietrza od 14,5 do 22:1 to jest duży nadmiar powietrza - mówimy o tzw. ubogiej mieszance. Jeżeli stosunek jest odwrotny, ilość powietrza jest mniejsza niż stechiometryczna, a ilość benzyny większa (stosunek powietrza do benzyny mieści się w przedziale od 14 do 7:1), to taka mieszanka nazywana jest tzw. bogata mieszanka. Inne proporcje spoza tego zakresu są trudne do zapalenia, ponieważ są zbyt rozcieńczone lub zawierają zbyt mało powietrza. W każdym razie oba limity mają przeciwny wpływ na osiągi, zużycie paliwa i emisje. Jeśli chodzi o emisje, w przypadku bogatej mieszanki występuje znaczne tworzenie się CO i HC._x, produkcja NIE_x stosunkowo niski ze względu na niższe temperatury podczas spalania bogatej mieszanki. Z drugiej strony produkcja NO jest szczególnie wyższa przy spalaniu ubogim._xze względu na wyższą temperaturę spalania. Nie wolno nam zapominać o szybkości spalania, która jest inna dla każdego składu mieszanki. Szybkość spalania jest bardzo ważnym czynnikiem, ale trudno go kontrolować. Na szybkość spalania mieszanki ma również wpływ temperatura, stopień zawirowania (utrzymywany przez prędkość obrotową silnika), wilgotność i skład paliwa. Każdy z tych czynników jest zaangażowany na różne sposoby, przy czym największy wpływ ma zawirowanie i nasycenie mieszaniny. Bogata mieszanka spala się szybciej niż uboga, ale jeśli mieszanka jest zbyt bogata, szybkość spalania jest znacznie zmniejszona. Podczas zapłonu mieszanki spalanie jest początkowo powolne, wraz ze wzrostem ciśnienia i temperatury zwiększa się szybkość spalania, czemu sprzyja również zwiększone zawirowanie mieszanki. Spalanie na ubogiej mieszance przyczynia się do wzrostu sprawności spalania nawet o 20%, przy czym według obecnych możliwości jest to maksimum przy stosunku około 16,7 do 17,3:1. Ponieważ homogenizacja mieszanki pogarsza się podczas ciągłej ubogiej mieszanki, co skutkuje znacznym zmniejszeniem szybkości spalania, zmniejszając wydajność i produktywność, producenci wymyślili tak zwaną mieszankę warstwową. Innymi słowy, palna mieszanina jest rozwarstwiona w przestrzeni spalania, tak że stosunek wokół świecy jest stechiometryczny, to znaczy łatwo się zapala, a w pozostałym otoczeniu, wręcz przeciwnie, skład mieszanki jest o wiele wyżej. Technologia ta jest już stosowana w praktyce (TSi, JTS, BMW), niestety na razie tylko do określonych prędkości lub. w trybie lekkiego obciążenia. Jednak rozwój jest szybkim krokiem naprzód.

Korzyści z redukcji

• Taki silnik ma nie tylko mniejszą objętość, ale także rozmiary, dzięki czemu można go wyprodukować z mniejszą ilością surowców i mniejszym zużyciem energii.
• Ponieważ silniki wykorzystują podobne, jeśli nie te same surowce, silnik będzie lżejszy ze względu na mniejsze rozmiary. Cała konstrukcja pojazdu może być mniej wytrzymała, a przez to lżejsza i tańsza. z istniejącym lżejszym silnikiem, mniejsze obciążenie osi. W tym przypadku poprawiają się również właściwości jezdne, ponieważ ciężki silnik nie ma na nie tak silnego wpływu.
• Taki silnik jest mniejszy i mocniejszy, dlatego nie będzie trudno zbudować mały i mocny samochód, który czasami nie działał z powodu ograniczonej wielkości silnika.
• Mniejszy silnik ma również mniejszą masę bezwładności, dzięki czemu nie zużywa tyle energii do poruszania się podczas zmian mocy, co większy silnik.

Wady redukcji

• Taki silnik poddawany jest znacznie wyższym obciążeniom termicznym i mechanicznym.
• Chociaż silnik jest lżejszy pod względem objętości i masy, ze względu na obecność różnych dodatkowych części, takich jak turbosprężarka, intercooler lub wysokociśnieniowy wtrysk benzyny, całkowita masa silnika wzrasta, wzrasta koszt silnika, a cały zestaw wymaga zwiększona konserwacja. a ryzyko awarii jest wyższe, szczególnie w przypadku turbosprężarki, która jest poddawana dużym obciążeniom termicznym i mechanicznym.
• Niektóre układy pomocnicze zużywają energię w silniku (np. pompa tłokowa z bezpośrednim wtryskiem w silnikach TSI).
• Zaprojektowanie i wykonanie takiego silnika jest znacznie trudniejsze i bardziej złożone niż w przypadku silnika wypełnionego atmosferą.
• Ostateczne zużycie jest nadal stosunkowo silnie uzależnione od stylu jazdy.
• Tarcie wewnętrzne. Należy pamiętać, że tarcie silnika zależy od prędkości. Jest to stosunkowo nieistotne w przypadku pompy wodnej lub alternatora, w których tarcie wzrasta liniowo wraz z prędkością. Jednak tarcie krzywek lub pierścieni tłokowych wzrasta proporcjonalnie do pierwiastka kwadratowego, co może powodować, że mały silnik o dużej prędkości będzie wykazywał większe tarcie wewnętrzne niż większa objętość pracująca z mniejszymi prędkościami. Jednak, jak już wspomniano, wiele zależy od konstrukcji i osiągów silnika.

Czy jest więc przyszłość dla cięć kadrowych? Myślę, że pomimo pewnych niedociągnięć. Silniki wolnossące nie znikają jednak od razu z powodu oszczędności w produkcji, postępu technologicznego (Mazda Skyactive-G), nostalgii lub przyzwyczajenia. Dla bezpartyzantów, którzy nie ufają mocy małego silnika, polecam załadować taki samochód czterema dobrze odżywionymi osobami, a następnie spojrzeć pod górę, wyprzedzić i przetestować. Niezawodność pozostaje znacznie bardziej złożoną kwestią. Jest rozwiązanie dla kupujących bilety, nawet jeśli trwa to dłużej niż jazda próbna. Poczekaj kilka lat na pojawienie się silnika, a następnie zdecyduj. Ogólnie jednak zagrożenia można podsumować w następujący sposób. W porównaniu z mocniejszym silnikiem wolnossącym o tej samej mocy, mniejszy silnik z turbodoładowaniem jest znacznie bardziej obciążony ciśnieniem w cylindrach i temperaturą. Dlatego takie silniki mają znacznie bardziej obciążone łożyska, wał korbowy, głowicę cylindrów, rozdzielnicę itp. Jednak ryzyko awarii przed upływem planowanego okresu użytkowania jest stosunkowo niskie, ponieważ producenci projektują silniki dla tego obciążenia. Będą jednak błędy, zauważam np. problemy z przeskakiwaniem łańcucha rozrządu w silnikach TSi. Ogólnie jednak można powiedzieć, że żywotność tych silników prawdopodobnie nie będzie tak długa, jak w przypadku silników wolnossących. Dotyczy to głównie samochodów o dużym przebiegu. Większą uwagę należy również zwrócić na konsumpcję. W porównaniu ze starszymi turbodoładowanymi silnikami benzynowymi, nowoczesne turbosprężarki mogą działać znacznie ekonomiczniej, podczas gdy najlepsze z nich odpowiadają zużyciu stosunkowo mocnego turbodiesla przy ekonomicznej eksploatacji. Minusem jest coraz większa zależność od stylu jazdy kierowcy, więc chcąc jeździć oszczędnie, trzeba uważać na pedał gazu. Jednak w porównaniu z silnikami wysokoprężnymi, turbodoładowane silniki benzynowe rekompensują tę wadę lepszym wyrafinowaniem, niższym poziomem hałasu, szerszym zakresem prędkości użytkowych lub brakiem krytykowanego filtra DPF.