Первый автосервисный журнал
Издается с 1997 года

Технологии ремонта и обслуживания гибридных автомобилей

Технологии ремонта и обслуживания гибридных  автомобилей

Школа Сергея Гордеева. Урок первый.

Гибридным автомобилем сегодня никого уже не удивишь. В Екатеринбурге, как и в любом другом крупном городе, остановившись на светофоре, можно наблюдать, как справа остановился Prius в 20-м или в 30-м кузове с сидящим за рулем «белым воротничком». А слева в это же время почти по встречке пытается пролезть огромный Cadillac Escalade – гибрид, управляемый «новым русским». Сзади притулилась Honda Civic – еще один гибрид со студентом, подпрыгивающим в такт с сумасшедшими ритмами, несущимися из включенного на полную мощь сабвуфера.

На ум просится фраза из военной терминологии: «Гибриды наступают!». Для нас – авторемонтников – это как сигнал боевой трубы, зовущей к решительным действиям. Но увы: найти сегодня грамотного Диагноста (именно так, с большой буквы!), способного разобраться с неисправностями гибридного ТС, практически невозможно. Что же делать? Вот об этом мы будем говорить сегодня и в дальнейшем. И тем самым попробуем хотя бы частично снять проб­лему и вооружить заинтересованных читателей специальными знаниями и личным опытом, накопленными в многолетнем ремонте гибридных автомобилей.

Сегодня владельцы таких авто в автосервисах сталкиваются с двумя диаметрально противоположными подходами к диагностике и ремонту таких ТС. При обращении в ремонтное предприятие они (владельцы гибридов), как правило, слышат следующую «весьма» исчерпывающую информацию:

1. «Поищите другой автосервис. Мы ремонтом и обслуживанием гибридов не занимаемся».

2. «Загоняйте авто, как-нибудь разберемся с вашим гибридом – не боги горшки обжигают!».

Сегодня на рынке как никогда остро стоит вопрос с подготовкой квалифицированного персонала для ремонта и обслуживания гибридных автомобилей. Таких ТС, бегающих по нашим дорогам, уже достаточно много, а число учебных центров, готовящих специалистов по их ремонту, на всю Россию ограничивается цифрой один. Под ней значится лишь наш учебный центр. Но возможности небольшого коллектива весьма ограничены, а желающих пройти курсы обучения – огромное количество. Поэтому мы совместно с журналом «Автомобиль и Сервис» («АБС-авто») решили на его страницах открыть рубрику «Школа ремонтных технологий гибридных автомобилей».

Процесс обучения будет, естественно, заочным – на основе наших статей. Задуманы и тестовые онлайн-мероприятия. Читателям (слушателям школы), успешно прошедшим все тестовые мероприятия, будут вручаться настоя­щие сертификаты, подтверждающие уровни квалификаций. Но об этом позже.

Как известно, издание «Автомобиль и Сервис» направленно в первую очередь на профессионалов авторемонта. Это руководители автосервисов, автомобильные инженеры, эксперты, практикующие диагносты, мастера, механики и т. д. Но реально группа заинтересованных в теме кажется гораздо шире. К ней вполне можно отнести и обычных автовладельцев, отслеживающих новинки мира автомобилей, и вообще всех тех, кто интересуется новой техникой.

Сразу оговоримся. Материалы, которые будут публиковаться на страницах журнала, не являются клонами программ, созданных для учебных курсов в рамках профессиональной учебы. Кратковременные очные мероприятия позволяют за 50 учебных часов донести лишь минимальный объем теоретических и практических знаний. А вот с помощью долговременного учебного цикла статей можно добиться гораздо большего.

Еще одно замечание. Все статьи учебного цикла могут состоять из двух необязательно равных частей. В зависимости от темы в каждой лекции будут предлагаться как теоретические материалы, так и знания о практике диагностики и ремонта. Первые несколько статей будут скорее о теории вопроса, но в дальнейшем мы обязательно будем чередовать теоретический материал с описанием практических ремонтных технологий. Надеемся, что такая форма подачи материала станет полезной большому числу читателей. Сегодняшнюю статью можно считать первым уроком.

Редакцию журнала вы хорошо знаете, а меня, вероятно, пока нет. Поэтому давайте знакомиться: Гордеев Сергей Николаевич, директор «Гибрид-сервиса». Ремонтом автомобилей занимаюсь с 1997 года. Являюсь членом Союза автомобильных диагностов России. Организовал и руковожу автосервисом «Гибрид-сервис», который с 2003 года занимается исключительно ремонтом и обслуживанием гибридных автомобилей всех марок. В 2009 году прошел курс обучения по ремонту и обслуживанию гибридных автомобилей в Японии. Совместно с издательством «Легион – Автодата» выпустил три книги по ремонту гибридов Toyota и Lexus. В 2012 году стал победителем телевизионного конкурса «Реальный бизнес» с проектом по ремонту и обслуживанию гибридных автомобилей. В 2012 и 2014 годах приглашался в США, где прочитал курсы лекций по ремонту гибридов.

Теперь по существу, т.е. по учебному плану. Начнем с общего знакомства с гибридными автомобилями. Как будем действовать?

Кратко рассмотрим – какие ДВС существуют в мире, и классифицируем их по типам. Подробнее остановимся на конструкциях ДВС, работающих по циклу Аткинсона, и поговорим об их специфических отличиях от двигателей, работающих по традиционному циклу Отто. Выделим основные узлы гибридного автомобиля и расскажем о каждом из них: ДВС; коробка передач (тяговый и стартерный мотор – генератор); высоковольтная батарея (ВВБ); инвертер и конвертер; вспомогательная АКБ.

В сегодняшней лекции мы вряд ли успеем охватить весь комплекс названных разделов. О чем не успеем поговорить – перенесем на следующий раз. Заканчивать будем основами техники безопасности при работе с гибридными автомобилями. Замечание: в каждом учебном процессе должны присутствовать перемены (перерывы). Чтобы учащиеся могли отдохнуть и разложить полученную информацию «по полочкам». Наши «перемены» будут длиною в месяц – это, как вы понимаете, связано с частотой выхода ежемесячного издания.

Немного об аббревиатуре, к которой мы намерены обратиться в рамках нынешней лекции. На сегодня существует множество модификаций гибридных автомобилей, представляющих различные бренды. Их принято идентифицировать по номеру кузова. Так, гибридный автомобиль Toyota Prius NHW10 профессионалы называют «Prius в 10-м кузове», NHW11 – «Prius в 11-м кузове» и т. д. Для упрощения разговора мы будем называть модель гибрида по кузову сокращенно: Toyota Prius NHW10 – К10, NHW11 – К11, ну и К20, К30 и т. д.

Часто приезжающие к нам на обучение специалисты говорят, что «они и так все знают, а на обучение прибыли по решению начальства». Таким я предлагаю пройти небольшой тест на знание гибридного автомобиля. Сообщаю, что тому, кто правильно ответит на 5 вопросов из 10 – учиться незачем, потому что они и так являются «гуру по гибридам».

Сами вопросы весьма несложны. Но «просты» они только для тех, кто действительно знает и умеет. За все время, что я обучаю диагностике и ремонту, а этот срок составляет более шести лет, ни один из учеников не смог правильно ответить даже на 4 вопроса. Пройдя же курс обучения, выпускники начинают смеяться над простотой тестовых задач. Давайте и с вами заочно проведем такой тест: я задам 10 вопросов, а вы попытайтесь на них ответить. Вот они.

1. Что такое режим «INSPECTION MODE»? Для чего он нужен? Как активируется? Какая разница между INSPECTION MODE и:

– сервисным режимом;

– тестовым режимом;

– режимом тест-мод;

– режимом «Inspection Mode»?

2. Почему исправный «MAF-сенсор» при диагностике 1,5-литрового ДВС в Toyota Prius на холостом ходу вдруг начинает показывать на сканере расход воздуха до 5 г/с?

3. Как посчитать остаточную емкость одного элемента в поступившей на ремонт высоковольтной батарее (ВВБ) и чем обосновать необходимость его замены?

4. Как «обучить» работе коробку гибридной Тoyota Estima К10 после замены масла? И зачем это вообще нужно?

5. Почему не надо искать неисправность в датчике положения распредвала на Prius К11, если мы имеем ошибку Р3140, которая прямо указывает на эту неисправность?

6. Почему в заглохшем во время движения Prius К20 мы подключаем для диагностики сканер, а он не выходит на связь ни с одним блоком управления? Что неисправно в автомобиле, и как можно устранить эту неисправность без сканера?

7. Какое принципиальное отличие в контроле элементов блока управления ВВБ Lexus GS450H по отношению к ВВБ Toyota Camry-гибрид?

8. Почему у работающего на холостом ходу Prius К30 скорость вращения на холостом ходу вдруг оказывается равной 1300 об/мин, и можно ли ее понизить?

9. Какое основное отличие муфты VVTi ДВС обычного автомобиля и гибридного? Как их различать?

10. Что очень сильно «стучит» в коробке Prius К10, и как можно быстро устранить эту неисправность?

Можете подвести итоги ответов:

– если вы уверены, что ответили на все 10 вопросов, то вы либо ошибаетесь, либо про­шли обучение в «Гибрид-сервисе»;

– если ответили правильно на 7–9 вопросов, то вы действительно – профессионал своего дела и много работали с гибридами;

– если от 4 до 6 вопросов – вы продвинутый пользователь Интернета, и много читаете на гибридную тематику, но заниматься ремонтом гибридов самостоятельно вам пока рановато;

– если правильно ответили лишь на 3 вопроса или меньше, то без дополнительного обучения вам к гибридам пока лучше не подходить.

Думаю, что в любом случае «Школа ремонтных технологий гибридных автомобилей» на страницах журнала будет полезна всем. С чего начинается любая школа? С азбуки. И мы начнем с азбуки, т. е. азов гибридного автостроения и разберем (в смысле изучим) следующие темы:

– типы и виды гибридов;

– их преимущества и недостатки;

– виды ДВС, используемые в гибридах;

– основные компоненты и устройства гибридного автомобиля.

Увы, но без знания этих основ мы не сможем перейти к теме обслуживания и ремонта. Поэтому пойдем строго по плану.

Систематически дорожающее традиционное автомобильное топливо и повсеместное ужесточение экологических стандартов принуждают автопроизводителей к поиску альтернативных аналогов топлив и новых инженерных решений. Под это разрабатываются новые конструкции двигателей или совершенствуются прежние. Мы не станем останавливаться на особенностях альтернативных топлив, таких как спирт, жир, эфир и природный газ. А рассмотрим конструкции двигателей, способных на них работать. Рассуждать будем с точки зрения экономии природных ресурсов и экологических задач: что несет новая технология в части уменьшения стоимости 1 км пробега транспортного средства и сохранения невозобновляемых природных ресурсов и сохранности природы.

Готовится к изданию в 2017 году:

"Технология ремонта и обслуживания гибридных автомобилей"

Эксклюзивное издание
Автор: Гордеев С.Н.
Объем: 300-350 стр.
Более 1000 иллюстраций

Условно разделим их на четыре группы.

1. Обычные двигатели внутреннего сгорания, работающие на альтернативном топливе, т. е. не на обычном бензине или дизтопливе, а, например, на сжиженном нефтяном газе, природном газе, биотопливе и т. д.

2. Двигатели внутреннего сгорания, работающие в паре с электрическим двигателем. Назовем их гибридными двигателями.

3. Чисто электрические двигатели, потребляющие только электрическую энергию.

4. Двигатели на топливных элементах. Назовем их водородными двигателями.

5. В последнюю группу соберем оставшиеся конструкции двигателей: работающие на солнечных батареях (не путать с электрическими), фотонные, плазменные и т. д. Иными словами, те, для которых реализация в серийном образце – дело весьма далекого будущего.

Первую группу рассматривать подробно не имеет смысла по двум причинам: во‑первых, эти двигатели мы все хорошо знаем. Во-вторых, как такового эффекта снижения потребления природных ресурсов этот путь не дает.

Схема силовой установки последовательного гибрида
Схема силовой установки последовательного гибрида

Третья и четвертая группы имеют огромное преимущество в этом отношении, но у них есть и свои существенные недостатки. Так, серийные электромобили имеют очень маленький автономный пробег и весьма высокую стоимость тяговых батарей.

Сегодня несколько мировых автомобильных концернов пытаются запустить в серийное производство ДВС на топливных элементах, т. е. на топливе, основу которого составляет водород. Но мы подробно их рассматривать не планируем в связи с категорическим отсутствием инфраструктуры – водородных заправок.

Зато внимательно и подробно рассмотрим вторую группу, в которую попали гибридные двигатели. Повторюсь, что под гибридным автомобилем мы будем понимать транспортное средство (ТС), приводимое в движение двигателем внутреннего сгорания совместно с электрическим (одним или несколькими) двигателем.

Все виды гибридов по конструктивным реализациям можно разделить на три группы.

1. Последовательные гибриды.

2. Параллельные гибриды.

3. Последовательно-парал­лель­ные гибриды.

Теперь о каждом подробнее.

Последовательные гибриды. Принцип их работы таков: вращение колес автомобиля обеспечивается электродвигателем, который питается током электрогенератора, приводимого в движение двигателем внутреннего сгорания. Если упрощенно: ДВС крутит генератор, который вырабатывает электричество для тягового электромотора ТС. При такой схеме двигатели внутреннего сгорания имеют небольшой объем, а генераторы обладают значительной мощностью. Явный недостаток таких конструктивных решений заключается в том, что зарядка аккумуляторов и движение автомобиля происходят только в режиме постоянной работы ДВС.

Этот принцип пока не реализован ни на одном серийно выпускаемом легковом автомобиле. При некоторых ее достоинствах минусов больше чем плюсов. Но в грузовом автостроении такая гибридная схема иногда применяется. Это касается некоторых конструкций тяжелых карьерных самосвалов.

Параллельные гибриды. В такой схеме колеса транспортного средства получают вращение, как от привода ДВС, так и от электрического мотора, питающегося от аккумулятора. Но такая схема силового агрегата уже требует наличия коробки передач. К наиболее удачному образцу данной схемы можно отнести автомобиль Honda Civic – гибрид. В нем имеется электромотор, который может приводить в движение автомобиль совместно с ДВС. Это позволяет использовать двигатель внутреннего сгорания меньшей мощности, так как в случае необходимости ему на помощь может прийти электромотор. В таком режиме суммируется мощность двух силовых установок. Основной недостаток такого решения в том, что двигатель не может одновременно вращать колеса и заряжать батарею.

Последовательно-параллельная схема. Всех названных недостатков лишен гибрид, реализованный в последовательно-параллельной схеме. Здесь, в зависимости от условий движения, используется тяга либо электродвигателя, либо ДВС с возможностью подзарядки батареи. Кроме того, в сложных режимах эксплуатации силовой агрегат для обеспечения повышенного крутящего момента имеет возможность объединять усилия бензинового и электрического двигателей. Опираясь на такие экстраординарные возможности, рабочая программа ТС всякий раз для каждого режима эксплуатации автомобиля выбирает наиболее целесообразное силовое решение. Этим обеспечивается максимальная эффективность транспортного средства.

Такая схема последовательно-параллельного гибрида реализована в автомобиле Toyota Prius. В переводе с латинского рrius – «передовой» или «идущий впереди». Сегодня существует несколько модификаций Prius. Их принято идентифицировать по номеру кузова – об этом мы уже сегодня говорили. Когда станем разбирать устройство Prius подробно, будем прежде всего иметь в виду модель К20. Обращения к другим аналогам: К10, К11, К30, К35 и проч. будут сопровождаться специальными указаниями.

Теперь пора уделить особое внимание самому известному и успешному в мире образцу гибридного автомобиля – Prius от компании Toyota. Почему мы так подробно будем говорить именно о Prius и именно о модификации К20? Постараемся ответить. С точки зрения специализированного авторемонтного бизнеса распространенность ТС конкретной марки в конкретном регионе (в нашем случае – РФ) является отправной точкой для специализации услуг, представляемых предприя­тием. Это накладывает на организаторов производства обязательства в специальной оснастке автосервиса, в приобретении необходимой рабочей информации и профессиональном обучении работников. Но не только.

Специализированный автосервис также обязан обеспечивать себя хотя бы минимумом расходных материалов и запчастей. А это – отдельная тема – к ней мы обратимся гораздо позднее. Сейчас коснулись ее в связи с особым статусом автомобиля Toyota Prius NHW20 (К20), который своим количеством на дорогах РФ многократно превосходит любое другое гибридное транспортное средство.

Соответственно знания о его особенностях наиболее полезны для работников независимых специализированных центров. Без знакомства с этим продуктом от Toyota браться за ремонт и обслуживание гибридных автомобилей не имеет смысла с точки зрения успешности автосервиса как бизнеса. Поэтому на примере именно Prius К20 мы планируем рассказывать об устройствах гибридных автомобилей и объяснять работу всех его компонентов с практическими советами по ремонту и обслуживанию.

Разрез части силового агрегата последовательно-параллельного гибрида.
Можно увидеть устройство узла, в котором взаимодействуют два мотора/генератора с
солнечной шестерней устройства распределения мощности (PSD)
Разрез части силового агрегата последовательно-параллельного гибрида. Можно увидеть устройство узла, в котором взаимодействуют два мотора/генератора с солнечной шестерней устройства распределения мощности (PSD)

Начнем с двигателя внутреннего сгорания. Замечание: в этой части разговора мы будем говорить лишь о тех особенностях ДВС, работающих в гибридных силовых агрегатах, которые отличают их от аналогов, реализованных в традиционных конструкциях ТС. Предполагаем, что читатели (слушатели) учебного курса хорошо знакомы с конструкциями ДВС обычных автомобилей. И еще. При разговоре о ДВС автомобиля Prius следует иметь в виду, что особенность его конструкции позволила серьезнейшим образом положительно сказаться на эффективности транспортного средства. С точки зрения ремонта такой двигатель практически ничем не отличается от своих ординарных собратьев и особого внимания к себе не требует. Но для правильного понимания гибридных технологий знания о конструкции таких моторов очень полезны. Вопросы, которые могут появиться у читателя, получат ответ в разделах, посвященных ремонту и обслуживанию конкретных моделей гибридов.

Итак, ДВС. Prius К20 имеет бензиновый двигатель внутреннего сгорания, с объемом 1497 см3. В К30 и в последующих модификациях объем увеличен до 1,8 л. Toyota обозначает двигатель Prius К20 как 1NZ-FXE, который часто путают с мотором автомобиля Toyota Echo. И понять это можно. У Echo он значится как 1NZ-FE. Конструкции обоих ДВС максимально схожи. Это рядные, четырехцилиндровые, 16-клапанные моторы, у которых вращение двойных распредвалов происходит посредством цепного привода. Оба оснащены коллекторами поперечного потока и т. д. Мало того, одинаковы и размеры элементов цилиндропоршневых групп (ЦПГ). Так, диаметр цилиндров и ход поршней у обоих соответствуют 75 мм и 84,7 мм. Но двигатели эти существенно разные: ДВС Prius работает по циклу Аткинсона (Atkinson), тогда как Echo – по циклу Отто (Otto).

Компоновка силового агрегата. На переднем плане хорошо виден инвертор одного
из электрических двигателей
Компоновка силового агрегата. На переднем плане хорошо виден инвертор одного из электрических двигателей

Очень поверхностно, возможно, кое-где не совсем корректно, пробежимся по конструкции традиционного ДВС, не отвлекаясь ни на что, кроме моментов: где и как происходят потери его эффективности. Бензиновый двигатель почти каждого автомобиля, бегущего сегодня по дорогам мира, работает по циклу Отто. Работа таких ДВС характеризуется четырьмя тактами: впуском, сжатием, сгоранием (рабочим ходом) и выпуском с открытием и закрытием клапанов близко к концам тактов.

Достоинство двигателя Отто состоит в высокой термодинамической эффективности, заключающейся в превосходном отношении энергия/вес и в надежности конструкции агрегата в связи с ее простотой. Большинство усовершенствований, производимых в двигателях, работающих по циклу Отто, связаны с увеличением эффективности и/или сокращением выброса вредных веществ. Производитель, во имя сказанного уменьшая вес ДВС, теряет мощность и надежность. Чудес ведь не бывает?

Инвертор электродвигателя с автономной системой охлаждения
Инвертор электродвигателя с автономной системой охлаждения

Рассмотрим, где же и каким образом теряется эффективность. Известно, что современный ДВС, работающий по циклу Отто, обладает наибольшей эффективностью (КПД) в интервале 40–45% от максимально допустимой скорости вращения коленвала – этот режим еще называют оптимальным. А наивысший крутящий момент двигателя достигается в интервале 70–80% от тех же максимальных параметров вращения коленчатого вала.

То есть процесс достижения максимального крутящего момента всегда приводит к понижению КПД мотора. Почему? Потому, что всякое повышение скорости вращения ДВС выше оптимальных значений сопряжено с возрастанием потерь от трения. Их так и называют: потери трения. Существенное повышение скорости вращения коленчатого вала во имя достижения необходимого момента вращения обеспечивается с помощью повышенного обогащения рабочей смеси. А это – потеря эффективности. А вот при более низком, по отношению к оптимальному, режиме вращения коленчатого вала двигатель страдает от явления, которое называют насосными потерями (это мы обсудим позже).

Разрез рядного 16-клапанного ДВС гибридного автомобиля
Toyota Prius, работающего по циклу Аткинсона
Разрез рядного 16-клапанного ДВС гибридного автомобиля Toyota Prius, работающего по циклу Аткинсона

Вернемся к автомобилю Toyota Echo. Пиковая мощность его двигателя равна 108 л. с. А самая эффективная работа им будет производиться в режиме, когда мотор развивает мощность в интервале 35–50 л. с. Казалось бы, тогда при выборе двигателя для автомобиля мы должны руководствоваться следующим. Он (мотор) для оптимального режима эксплуатации должен обеспечивать всего лишь 40% от максимальной мощности, которую может развить. А чтобы такой автомобиль двигался со скоростью 105 км/ч по горизонтальной дороге, ему хватит и 15 л. с. При скорости ниже – и того меньше. С другой стороны, если бы мы установили на автомобиль двигатель даже в 30 л. с., ему бы потребовалось более 30 с, чтобы разогнаться до 96 км/ч.

Но Echo, как мы заметили, имеет двигатель мощностью 108 л. с. и обладает приличными показателями в ускорении и в преодолении препятствий. Поэтому автомобиль с двигателем (30 л. с.) не сможет ускоряться согласно нашим ожиданиям, и не будет иметь хорошей динамики. А это означает, что большую часть времени и пути автомобиль эксплуатируется в режимах, когда характеристика мощности ДВС находится в точке значительно ниже «зеленой зоны» эффективности. В результате значительная часть топлива расходуется впустую. Этот негативный конструктивный дефект характерен для всех без исключения автомобильных двигателей, работающих по циклу Отто. Специалисты называют его проб­лемой частичной мощности.

Главную причину потерь эффективности в режимах эксплуатации двигателей внутреннего сгорания называют насосными потерями. Как двигатель с циклом Отто, разработанный для обеспечения максимальной мощности в 108 л. с., заставить выдавать 20 л. с.? Ответ прост – уменьшить поток воздуха в цилиндры путем прикрытия дроссельной заслонки. Отметим, между прочим, что такой режим работы вынуждает двигатель тянуть воздух через узкую щель дросселя, создавая повышенное разряжение во впускном коллекторе. Об этом чуть ниже.

Если исключить особенности топливной системы современного автомобиля, которая при этом станет компенсировать недополученную порцию топлива принудительным ее впрыском, то можно ли сказать, что задача эффективности будет решена? Поскольку воздух, попадающий в цилиндр в течение такта, получает меньший воздушно-топливный «заряд», двигатель заработает с пониженной мощностью – что вроде бы и требуется.

Согласимся, что не все так просто. Создав эффект частичного вакуума во входном коллекторе, мы совершаем работу, т. е. расходуем дополнительную энергию. Какую? Когда поршень идет вниз при такте всасывания, давление в подпоршневом пространстве и частичный вакуум в верхней части цилиндра – над поршнем, через шатунно-поршневой узел создают сопротивление вращению коленчатого вала. Это уменьшает выходную мощность двигателя, и, кажется, именно к этому мы и стремились? Но такой эффект произошел за счет потраченного впустую топлива – а мы как раз этого и хотим избежать.

А вот и герой сегодняшнего повествования целиком.
Конструкция от Аткинсона нашла в гибридном
автостроении достойное место
А вот и герой сегодняшнего повествования целиком. Конструкция от Аткинсона нашла в гибридном автостроении достойное место

Заметьте, что автомобили страдают от насосных потерь даже на высоких скоростях. Дроссель открывается полностью только при ускорении или при подъеме в гору. Известно, что дизельные двигатели лишены этой проблемы, потому что у них нет дросселя. Низкая мощность достигается простым уменьшением количества впрыскиваемого топлива. Это – одна из причин, почему дизельные двигатели обладают более высокой эффективностью. Данный способ не может быть применен впрямую на бензиновых двигателях, потому что температура горения их рабочей смеси при избытке кислорода («обеднении» смеси – об этом ниже) становится слишком высокой, что может привести к прогару поршней и клапанов.

Преобразование химической энергии в работу (механическую энергию) в поршневом двигателе сосредоточивается вокруг рабочего хода. Топливовоздушная смесь сгорает быстро и создает давление из-за взрывообразного разогрева смеси, главным образом углекислого газа и водяного пара. Это давление действует на днище поршня и с помощью кривошипно-шатунного механизма проворачивает коленчатый вал. Пропорция химической энергии, выделившейся в виде тепла, преобразованного в механическую энергию, зависит от «степени расширения» смеси газов. Этот параметр соответствует отношению между свободным объемом в цилиндре в момент поджига смеси и свободным объемом цилиндра до открытия выпускного клапана. Чем выше значение отношения, тем больше энергии тепла и давления может использоваться на вращение коленчатого вала.

К сожалению, есть предел степени сжатия, выше которого смесь не горит равномерно и вызывает детонацию. Некоторые источники приписывают это «предвоспламенению», т.е. явлению, когда смесь загорается спонтанно, до подачи искры. Здесь есть смысл отметить лишь то, что двигатель с циклом Отто конструируется таким образом, чтобы не допустить возникновения детонационных эффектов при заданных значениях октанового числа топлива. И такой агрегат не способен обеспечить больших степеней в расширении работающих газов.

В переводе с латинского рrius – «передовой» или «идущий
впереди»
В переводе с латинского рrius – «передовой» или «идущий впереди»

Среди причин снижения эффективности двигателя специалисты не последнее место отдают «потерям трения». Не станем останавливаться на том, что и как трется в механизмах ДВС, об этом знает любой наш современник, а не только автомеханик. Здесь важнее другое. Чем больше выходная мощность и обороты двигателя, тем выше потери трения. В режимах высоких скоростей потери трения могут составить большую часть «брутто-выхода» двигателя. Вот почему эффективность двигателя падает в режимах эксплуатации, превышающих «зеленую зону».

До недавнего времени конструкторы не стремились увеличить размеры двигателей, чтобы уменьшить трение для повышения эффективности. Наоборот, трение становится большой проблемой, поскольку двигатели становятся все миниатюрнее. А это – прямой путь к увеличению потерь мощности в таких двигателях на трение.

Идем дальше. Рассмотрим сам процесс сгорания топлива. Инженеры конструируют двигатели таким образом, чтобы обеспечить мотор, работающий в оптимальном режиме, пропорцией «топливо – кислород воздуха», позволяющей сжечь все топливо, используя весь кислород. Такое идеальное соотношение называют «стехиометрической смесью». Примерно это соответствует 14,7 кг воздуха на каждый килограмм бензина.

Современные автомобили поддерживают правильную смесь, используя ДМРВ (датчик массового расхода воздуха) на входе и датчик остаточного кислорода в выхлопе. Если отношение воздух/топливо увеличивается так, что воздуха становится больше нормы, смесь, как говорят, является «бедной». Кислород в выхлопе не причиняет вреда, но скудная смесь сгорает с более высокой температурой и может повредить двигатель, не разработанный для этого.

Высокая температура может также заставить азот воздуха соединяться с избыточным кислородом и производить оксиды азота, которые вносят свой вклад в загрязнение атмосферы. Если отношение воздух/топливо уменьшается так, что в двигатель поступил избыток топлива, смесь называется «богатой». Несгоревшее топливо в выхлопе вносит вклад в загрязнение окружающей среды. А то, что оно не окислилось для получения дополнительной мощности ТС, говорит об уменьшении эффективности двигателя.

Обычные двигатели просто обогащают смесь, когда требуется развить большую мощность. Это делает возможным использование каждой порции воздуха, поступившего в двигатель, для получения максимально возможного крутящего момента. Несгоревшее топливо может быть окислено до конца каталитическим нейтрализатором – и этим понизится вред природе, но и тогда энергия топлива будет потрачена впустую и в результате эффективность снизится.

Мы рассмотрели, как впустую, т.е. неэффективно расходуется мощность ДВС. Далее рассмот­рим пути ее эффективного использования – таковых можно выделить пять. На этом сегодня остановимся. В следующий раз продолжим разговор именно с этого момента. Затем перейдем к устройству гибридных автомобилей, познакомимся с их основными компонентами. До встречи.

Редакция благодарит работников Toyota Центр Ясенево за помощь в организации фото­съемки сюжетов, использованных в статье.

Адрес редакции

111033 Москва, ул. Самокатная, 2а, стр.1, офис 313

На карте

Контакты

Тел.: (495) 361-1260

E-mail: отправить письмо

Социальные сети

Журнал «АБС-авто» © 2017, все права защищены