Down, down, down…
Глобальная концепция даунсайзинга, предложенная разработчиками автомобильных двигателей в ответ на возрастающий прессинг со стороны «зеленых человечков», предусматривает снижение рабочего объема силовых агрегатов. В том, чтобы в недалеком будущем мы не оказались за рулем «овощных» автомобилей, ключевая роль отводится технологии турбонаддува.
Повышение тяговых характеристик автомобильных двигателей уже давно перестало быть основной целью разработчиков. Почти полвека тому назад, в 1970 году, конгресс США принял поправки к «Закону о чистом воздухе» (Clean Air Act), которые ужесточили предельные концентрации вредных веществ в атмосфере и обязали автопроизводителей радикально сократить их выброс. С этого времени у мирового автомобилестроения и, в частности, у моторостроителей появился более серьезный стимул – экологические стандарты. Именно они уже почти полвека не дают покоя разработчикам двигателей, налагая все более строгие запреты на выбросы вредоносных компонентов отработавших газов (ОГ) .
Зеленый беспредел
Припомним, что стимулом индийцы называют заостренный стальной прут, втыкая который в шею слона, погонщик принуждает гигантского подопечного подчиняться своей воле и исполнять свои прихоти: двигаться в нужном направлении, переносить тяжести и т. п. Экологические ограничения управляют гигантской индустрией автомобильного моторостроения столь же садистски. Прихоти «зеленых» во многом определили облик современных двигателей.
Борьба за более чистый «выхлоп» инициировала эволюцию систем топливоподачи, внедрение регулируемого газообмена, многоступенчатых систем очистки ОГ, совершенствование систем управления двигателем. Отражение очередных нападок экологических «пуритан» в последней декаде прошлого века привело к возрождению и стремительному спурту технологии турбонаддува как самого эффективного средства управления подачей воздуха. Турбонаддув и непосредственный впрыск топлива позволили дизелям преодолеть экологические препоны и шагнуть в новое тысячелетие.
Его начало было отмечено привычным ужесточением экологических стандартов. Они предусматривают дальнейшее снижение концентрации в ОГ таких компонентов, как CO, CH, NOx, а также твердых сажевых частиц для дизелей и бензиновых двигателей GDI. Вступают в силу новые испытательные циклы для контроля эмиссии вредных веществ, все более приближенные к реальным условиям эксплуатации автомобилей. Создается впечатление, что в недалеком будущем выхлопные газы автомобилей собираются использовать для лечения заболеваний органов дыхания.
Мало того: несколько лет тому назад неуемные «зеленые» замахнулись на святое. Под предлогом борьбы с парниковым эффектом они добились принятия программы сокращения выбросов в атмосферу углекислого газа – «манны небесной» для растительного мира планеты. Теперь автопроизводители обязаны заботиться о том, чтобы количество углекислоты, в среднем источаемое единицей их продукции, не превышало установленный лимит. Естественно, предусматривается прогрессивное снижение лимита.
В этот раз возмутителями спокойствия стали европейцы, конкретнее – Еврокомиссия Евросоюза (EC EU). Еврокомиссары накинули на шеи местных автопроизводителей углекислотную удавку, которая начала затягиваться с 1 января 2012 года. По их воле в период до 2015 года средний показатель эмиссии CO2 нового легкового автомобиля должен сократиться до 130 г/км (почти на 8% относительно 2010 года), а к 2020 году он должен уменьшиться до 95 г/км.
За десятилетия репрессий ревнители чистого воздуха научились жестоко карать провинившихся. За «невыполнение плана» европейские автопроизводители будут штрафоваться: за перебор в 1 г/км CO2 у каждого зарегистрированного автомобиля они заплатят по 5 евро, второй грамм превышения нормы им обойдется в 15 евро, а начиная с 4-го грамма и более автозаводы выложат по 95 «евриков» за грамм. Не менее действенная мотивация планируется и для потребителей. Купил «правильный» автомобиль – возьми с полки пирожок. Если же покупка вырабатывает излишне много «манны» – оплачивай услуги борцов с последствиями глобального потепления. Тут прейскурант разнится в зависимости от конкретной зоны Евросоюза.
Начавшись в Европе, эпидемия борьбы с выбросами углекислого газа быстро перекинулась и на другие континенты. Аналогичные программы сокращения эмиссии CO2 автотранспортом приняты правительствами практически всех автопроизводящих стран: США, Канады, Мексики, Японии, Китая, Индии. Эпидемия приобрела планетарный масштаб.
Шестерка вместо восьмерки, четверка вместо шестерки…
Углекислый газ – вещество с непростой судьбой. Это и необходимый компонент фотосинтеза, и 4% выдыхаемого нами воздуха, и «пузырьки» в газировке, и инертная среда для полуавтоматической сварки, и много-много чего еще. В том числе это один из конечных продуктов сгорания углеводородного топлива. То есть абсолютно естественный результат работы любого исправного двигателя внутреннего сгорания (впрочем, неисправного тоже). Если привлечь логику, становится понятно, что сокращение эмиссии углекислоты автомобилями эквивалентно снижению потребления топлива. Конечно, если не принимать в расчет теоретическую возможность преобразования «выхлопного» углекислого газа в иную углеводородную «манну», например, этиловый спирт – т.е. превращения автомобиля в самогонный аппарат.
В общем, и тут зло и добро оказались неразлучными. Едва ли найдется автовладелец, который станет возражать против того, чтобы двигатель его автомобиля стал экономичнее. Конечно, если это произойдет не в ущерб его тяговым качествам. Примерно так и сформулировали стоящую перед ними задачу моторостроители: добиться снижения потребления топлива без ущерба для мощностных характеристик ДВС. Решением задачи стала глобальная концепция даунсайзинга двигателей.
Термин «даунсайзинг» происходит от английского downsizing, составленного из down (вниз) и size (размер), т.е. означает сокращение размера двигателей, уменьшение их рабочего объема. Взаимосвязь улучшения экономичности при уменьшении объема ДВС очевидна. Меньшая собственная масса, меньшая масса движущихся деталей, меньшие потери на трение, меньшие насосные потери, меньшие тепловые потери и тепловая инерционность – все это способствует лучшей эффективности более компактного мотора. Дополнительные бонусы: сокращение массы автомобиля или увеличение грузоподъемности при той же массе, лучшие возможности компоновки силового агрегата, в том числе с современными многоступенчатыми трансмиссиями, возможность уменьшения объема моторного отсека в пользу вместимости салона и т. д.
Компактность – наиболее существенная, но далеко не единственная характеристика двигателя новой концепции. В его конструкции предполагается использовать ряд других технологий, обладающих потенциалом топливной экономии, как новых, так и уже апробированных. Вот их примерный перечень.
• Тотально регулируемый процесс газообмена в двигателе за счет гибкого изменения момента срабатывания и время-сечения клапанного механизма.
• Непосредственный впрыск топлива с образованием стратифицированного воздушно-топливного заряда для работы на бедных смесях.
• Деактивация цилиндров, т.е. отключение одного или нескольких цилиндров при частичных нагрузках.
• Технология «старт-стоп», предусматривающая полное отключение двигателя при кратковременных остановках на светофорах и т. п.
• Сокращение внутренних потерь на трение в двигателе за счет применения антифрикционных покрытий, уменьшения движущихся масс, замены некоторых подшипников скольжения подшипниками качения и т. п.
• Многоконтурная система охлаждения, включающая электрический насос, позволяющая поддерживать оптимальный тепловой режим ДВС.
• Электрический усилитель рулевого управления.
Если не забыть включить в список упомянутый ранее даунсайзинг, легко верится, что все технологии «скопом» позволят создать компактный, жутко экономичный двигатель. Только едва ли такой двигатель устроит тех же «зеленых человечков», которые эту кашу заварили. Сокращение рабочего объема ДВС без применения радикальных мер, направленных на увеличение литровой мощности, однозначно приведет к тому, что автомобили будут ездить, но о-о-о-чень медленно. А как же: «…без ущерба для мощностных характеристик ДВС»? Вот для того, чтобы экономия топлива не обернулась разочарованием от неизбежности ездить на «овощных» автомобилях, «даунсайзеры» включили в список средств для достижения поставленной цели еще одну технологию – принудительный наддув двигателя с помощью турбонагнетателя. Без турбонаддува реализовать эту мудрую концепцию попросту невозможно. На сегодняшний день иного способа кардинального увеличения удельной мощности и крутящего момента ДВС не существует. Тем более способа, всесторонне изученного и проверенного на практике.
Важно и то, что в концепции даунсайзинга турбонаддуву отведена не одна, а две роли. Он также способен внести солидный вклад в экономию топлива и экологию благодаря интенсификации газообмена и смесеобразования в двигателе и созданию оптимальных условий для рециркуляции ОГ. Проверено, что турбонаддув может повысить топливную экономичность ДВС на 10–15%. Так что он по праву должен занять почетное место в приведенном выше перечне топливосберегающих технологий.
Справедливости ради нужно отметить, что даунсайзинг двигателей – не единственный способ сокращения выбросов углекислого газа автотранспортом. Автопроизводители не сбрасывают со счетов и такие сценарии, как частичная или полная электрификация автомобилей, т.е. создание гибридных и электрических силовых агрегатов. Понятно, что потенциал данных технологий с точки зрения экономии топлива не хуже, чем у даунсайзинга, но… Но экспертные оценки убедительно показывают, что их реализация потребует в несколько раз больших материальных и временных затрат и в большей степени увеличит и без того немалую стоимость автомобиля. В итоге: большинство автозаводов ведут разработки, некоторые уже производят, другие – только планируют производство гибридов и электромобилей. Реальность такова, что к 2020 году доля такой продукции на авторынке будет ничтожно мала даже в передовой в этом плане Европе. Одним словом, это стратегии отдаленного будущего, в то время как даунсайзинг – это настоящее.
Именно турбонаддув уже сегодня позволяет автопроизводителям воплощать стратегию даунсайзинга в жизнь – трансформировать модельный ряд своей продукции, замещая моторы V8 на V6, V6 на R4 и даже R4 на R3. Причем замещение происходит без ущерба для драйверских качеств автомобилей и с огромным выигрышем в потреблении топлива.
Изменения в производственной программе автозаводов не бросаются в глаза (гигантский мировой автопром не очень-то повернешь), но тенденция уже заметна. В 2016 году на европейском рынке доля дизелей объемом более 3,0 л сократится до 3%, а машин с бензиновыми моторами более 2,0 л будет предложено всего 5%.
Что уж говорить о Европе! Дрогнули и американцы, до недавних пор считавшие свои многолитровые «бормотографы» V8 единственно правильными моторами: все, что меньше – это не двигатель! Сейчас порядка 60% популярных пикапов F-150 продаются с двигателями V6. Все потому, что двигатель Ford EcoBoost V6 объемом 3,5 л обладает тяговыми характеристиками (365 л.с. и 569 Нм), характерными для 6-литрового V8. При этом он «проигрывает» восьмерке 20% по потреблению топлива и 15% по уровню эмиссии вредных веществ. Главные факторы, обусловившие торжество «экобуста», – непосредственный впрыск топлива, система управления ГРМ iVTC и пара скромных «гарреттов» GT15, установленных по схеме twin turbo.
Процесс даунсайзинга будет длиться в обозримом будущем, захватывая все большее число силовых агрегатов. Одновременно системы турбонаддува будут становиться обязательным атрибутом автомобильного двигателя. Если говорить о глобальных перспективах турбостроения, можно воспользоваться результатами анализа специалистов концерна Honeywell. По их расчетам за пятилетку, с 2012 по 2017 год, мировой выпуск «турбомобилей» увеличится на 80%. Вот так.
Тропою даунсайзинга
Даунсайзинг дизелей начался даже не вчера – этот процесс длится уже порядка десяти лет. Первенство дизелей в деле сокращения рабочего объема обусловлено тем, что они давно «поголовно турбированные», так сказать, в принудительном порядке, по соображениям экологии. Турбонаддув органично вписался в дизельный процесс, отличающийся отсутствием детонационных ограничений, качественным характером регулирования и умеренными температурами ОГ. Здесь предел повышению давления наддува (т.е. удельной мощности) может быть обусловлен только прочностными свойствами механической системы двигателя. В современном дизеле давно прижились и непосредственный впрыск топлива, и управляемый ГРМ, и система рециркуляции ОГ, в общем, все, что нужно для успешного даунсайзинга. Такие благоприятные предпосылки принесли хорошие плоды: к 2016 году в Европе доля дизелей с рабочим объемом в диапазоне 1,3–2,2 л возрастет до 70%.
Эксперты автомобильной отрасли сходятся во мнении, что современные компактные дизели нормативы 2020 года по выбросам CO2 выполнят – ведь они по определению экономичнее бензиновых конкурентов. Поэтому их дальнейший даунсайзинг – не первоочередная задача. Тем более что экстремальное сокращение рабочего объема дизеля, сопровождающееся соответствующим повышением удельной мощности, приводит к росту выбросов оксидов азота и необходимости принятия усиленных мер борьбы с ними. Сегодня главный вызов для разработчиков двигателей – даунсайзинг искровых моторов.
Один из примеров удачного решения этой задачи – семейство двигателей EcoBoost, разработанное Ford Motor Company в содружестве с институтом FEV. Все «члены» семейства – искровые двигатели с непосредственным впрыском топлива, турбонаддувом и регулируемым газораспределительным механизмом. Как правило, каждый имеет несколько модификаций, отличающихся уровнем мощности. Мощность варьируется, главным образом, за счет степени повышения давления наддува и настроек системы управления. Семейство EcoBoost неспроста называют глобальным – его представители с небольшими вариациями применяются не только на «фордах», но и на автомобилях Land Rover, Mazda и Volvo.
Старший из «экобустов», 3,5-литровый V6, упоминался ранее. Как было справедливо отмечено, он успешно заменяет гигантскую атмосферную «восьмерку» по тяговым характеристикам, да еще и с большим бонусом по расходу топлива и выбросам.
Для замены атмосферных моторов V6 3,0 л, которыми оснащались среднеразмерные автомобили, предусмотрен 2-литровый EcoBoost с конструктивной схемой l4. Этот двигатель первым в семействе был оснащен системой Ti-VCT («двойной независимой регулировки фаз клапанов»). На европейском рынке такие двигатели в версии 203 л. с. устанавливаются, например, на модели Mondeo 2.0 SCTi, S-Max 2.0 SCTi, Range Rover Evoque Si4. У 2-литрового «экобуста» есть младший брат – рядная четверка объемом 1,6 л. Несмотря на скромный объем, в топовой версии двигатель развивает пиковую мощность в 200 «лошадей». Стоит ли говорить, что снять 125 л. с. с одного литра рабочего объема без наддува немыслимо. В системе турбонаддува обеих «четверок» применяется турбокомпрессор BorgWarner/KKK серии К03. Особенность этой модели – низкоинерционный ротор. Корпус турбины интегрирован с выпускным коллектором, сварен из жаропрочной стали.
Наконец, самый «прикольный» из «экобустов», демонстрирующий возможности экстремального даунсайзинга. Конечно, это удостоенный многочисленных наград и премий 3-цилиндровый EcoBoost объемом 1 л. Об этом моторе с «блоком цилиндров размером с лист формата А4» и «объемом с бутылку пепси» кто только не писал. Отметим лишь несколько технических деталей, имеющих отношение к нашей теме. Несмотря на смехотворность размеров, «мелкий экобуст» имеет все черты взрослых сородичей: непосредственный впрыск топлива, систему управления газообменом Ti-VCT, возможность работы в режиме старт-стоп. Турбокомпрессор производства Mitsubishi/MHI – под стать двигателю: компактный, с низкоинерционным ротором для уверенной работы при небольшом потоке газов через турбину и предельно быстрой реакции на изменение режима. Благодаря этому искровой «экобуст» отчасти приобрел характер дизеля – кривая крутящего момента выходит на полку в 140 Нм уже при 1400 мин-1, где остается вплоть до 4500 мин-1. Максимальная частота вращения ротора турбокомпрессора – 240 000 мин-1, т.е. 4000 оборотов в секунду.
Из прочих любопытных особенностей можно упомянуть следующие. Блок цилиндров чугунный, что вместе с раздельной системой охлаждения позволяет сократить время прогрева двигателя – пусть и в ущерб его весу. Выпускной коллектор интегрирован в ГБЦ и омывается охлаждающей жидкостью, что также способствует ускоренному прогреву мотора. Одновременно так достигаются лучшие условия охлаждения ОГ, расширяется возможность работы на стехиометрической топливовоздушной смеси.
Для устранения естественной неуравновешенности 3-цилиндрового мотора конструкторы применили остроумный способ. Они намеренно определенным образом разбалансировали маховик двигателя и шкив коленчатого вала, что компенсировало вибрации двигателя. Зубчатый ремень привода ГРМ смазывается моторным маслом для снижения трения и шумности работы, а также увеличения ресурса. За подачу масла к парам трения впервые отвечает двухсекционный насос переменной производительности.
К каким результатам привели упомянутые и оставшиеся за кадром ухищрения разработчиков? Ford Focus III с двигателем EcoBoost 1 л в модификации 125 л. с. расходует 5 л бензина на 100 км, а уровень выбросов CO2 составляет 114 г/км. Для сравнения: похожий «фокус» с атмосферной «четверкой» 1,6 л мощностью также 125 л. с. в смешанном цикле потребляет 6,4 л на «сотню» и каждый километр выбрасывает в атмосферу порядка 160 г углекислоты. Кстати, атмосферник на 30 кг тяжелее. В общем, «копья ломать» однозначно стоило.
Этот вывод подтверждается опытом практически всех европейских автопроизводителей, которые также «идут тропой даунсайзинга»: VAG с семейством TSI, PSA с двигателями PureTech THP, Volvo с линейкой агрегатов Drive-E, Fiat с моторами Multiair turbo и прочих. Известное консалтинговое агентство Frost&Sullivan подтверждает: «товарищи идут правильным путем» и прогнозирует, что к 2018 году 35–38% бензиновых двигателей европейского производства будут турбированными.
Напрашивается еще один вывод. Турбонаддув – не временное явление, не дань изменчивой моде. Он – всерьез и надолго. Турбонаддув будет рулить столько, сколько отпущено двигателям внутреннего сгорания. Нужно быть готовым к нашествию «турбо», знать их «повадки», уметь диагностировать, обслуживать, ремонтировать.
Уникальную информацию по устройству, эксплуатации и ремонту систем турбонаддува смотрите на сайте turbomaster.ru
