Топливная экономия, эффективность, экологичность — атрибуты новых автомобилей, двигателей и систем. Часть 2

Все статьи цикла:

• Часть I
• Часть II
• Часть III
• Часть IV
• Часть V
• Часть VI

Гибридные автомобили Toyota и Lexus

Линейка топливно-экономичных автомобилей Toyota включает следующие модели: Prius, Camry, Corolla, Matrix, Yaris, RAV4, Highlander, Tacoma, причем 7 из 8 перечисленных моделей автомобилей характеризуются средней оценкой выше 30 mpg на шоссе.

Toyota разрабатывает и инвестирует разработки многих технологий, с которыми связывается автомобильное будущее — например, BEV, FCV, PHV, CNG, но выделяется среди других автопроизводителей, прежде всего, своими развитыми гибридными технологиями. Лидерство компании в данной области обеспечивается с технической стороны и подтверждается объемами продаж.

Согласно данным Toyota, в начале 2009 года комбинированные продажи гибридных автомобилей Toyota и Lexus (партнера Toyota) превысили 1 млн в Соединенных Штатах. Автомобили Toyota от этого числа составляют 75% за последние 10 лет, в то же время мировые продажи гибридов Toyota и Lexus уже превысили 1,7 млн единиц. Toyota планирует удерживать лидерство в области гибридных технологий и дальше, ежегодно продавая 1 млн автомобилей в период с 2009 по 2012 год и создавая новые гибридные модели.

Современный модельный ряд гибридов представлен автомобилями Prius, Camry Hybrid и Highlander Hybrid. Несомненный лидер и с технической стороны, и по объемам продаж — автомобиль Prius.

Полный гибрид Prius 2010 года (рис. 4а-б), введенный весной текущего года, — это наиболее топливно-экономичный/эффектив-ный автомобиль Toyota. Комбинированная оценка топливной эффективности EPA для Toyota Prius 2010 года — 50 mpg.

Prius первого поколения характеризовался комбинированной оценкой EPA в 41 mpg, модель 2009 года имеет комбинированный показатель EPA 46 mpg. Третье поколение автомобилей отличается еще лучшими показателями mpg, чем предшественники, более высокой топливной экономичностью и ультрамалой эмиссией. В новом Prius 2010 года топливная эффективность была увеличена до 51 mpg в городских условиях и 48 mpg на шоссе — с комбинированной оценкой в 50 mpg. Стоит обратить внимание, что это был первый автомобиль, у которого потребление топлива при движении в городе меньше, чем на шоссе.

На сайте компании опубликованы данные, согласно которым новый Prius (его ориентировочная цена $22 000) позволит сохранить примерно $172 в год или $14 в месяц в сравнении с Insight Honda (комбинированная оценка текущей модели 41 mpg, примерная цена продажи $18 395). Здесь же, на сайте, приведен полный расчет для покупателей, заинтересованных в окупаемости своих затрат в течение срока службы автомобиля. Расчет показывает полную окупаемость затрат в связи с приобретением автомобиля Prius при наличии для него преимущественных технических характеристик.

Prius был введен на автомобильный рынок в 1997 году как первый в мире гибрид, производимый в массовых объемах, и вначале был представлен на японском рынке. Годовые объемы производства составляли 12 000 шт. Затем, вследствие успеха на японском рынке, в 2000 году данный автомобиль появился и на рынке США. С лета 2000-го по февраль 2009 года более 700 000 автомобилей Prius было продано в США, что составляет более половины от мировых продаж Prius (1,2 млн единиц).

В отличие от многих гибридных автомобилей, представленных сегодня на автомобильном рынке, Prius — это именно полный гибрид. Полногибридные системы Toyota, разработанные для этого автомобиля, включают приводную систему Hybrid Synergy Drive (HSD). Данная система была впервые введена в 2004 году в автомобиле Prius второго поколения. В 2005 году продажи Prius в США составили уже 100 000 автомобилей, что связывается во многом именно с применением данной системы.

Гибридный привод Hybrid Synergy Drive — это бензиново-электрическая полная гибридная система. Еще более точным является ее оригинальное определение — gas-elecric system (gas — газ, горючее, бензин), поскольку уже представлена CNG-версия данного привода в будущем автомобиле Camry.

Ключевые элементы гибридного привода: бензиновый двигатель, электрический двигатель, батарейный пакет. Hybrid Synergy Drive представляет собой достаточно гибкую систему, позволяющую различать размер и мощность этих компонентов, настраивать характеристики и определять экономию для каждого автомобиля.

Для Prius 2010 года система Hybrid Synergy Drive на 90% разработана заново и отличается значительными улучшениями в сравнении с предыдущими моделями. Поэтому новый Prius, комбинирующий преимущественные признаки и прежней, и новой технологий, отличается улучшенной экономией топлива, повышенными характеристиками мощности и взаимодействия с окружающей средой и одновременно — повышенным уровнем исполнения с признаками инновационного дизайна. Сегодня именно этот автомобиль устанавливает новые стандарты для инновационного гибридного дизайна и технологий в модельном ряду Toyota.

«Гармония между человеком, природой и машиной» («Harmony Between Man, Nature and Machine») — таково определение маркетинговой стратегии Toyota в связи с введением автомобиля Prius третьего поколения. В автомобиле задействован больший и более мощный 4-цилиндровый двигатель объемом 1,8 литра (рис. 4в-д), функционирующий на основе цикла Аткинсона и вырабатывающий 98 л. с. на 5200 об/мин. Вместе с электрическим двигателем гибридная система нового Prius генерирует комбинированную мощность в 134 л. с., по сравнению с предыдущим поколением это на 24 л. с. больше. Prius 2005 года имел 4-цилиндровый двигатель 1,5 литра мощностью 76 л. с, который работал в паре с электродвигателем мощностью 67 л. с. и гибридной батареей на 21 кВт. Время разгона этого автомобиля от 0 до 60 миль/ч составляло 10,3 с. Двигатели HSD объемом 1,5 л основаны на технологии VVT-i (Variable Valve Timing with intelligence), осуществляющей точную синхронизацию впускного клапана в соответствии с условиями вождения, что оптимизирует топливную эффективность в широком диапазоне частот вращения и повышает выход мощности.

Больший двигатель помогает увеличивать шоссейный показатель mpg. С применением большего крутящего момента новый двигатель может работать на шоссе с меньшей средней выходной частотой вращения и использовать в этом режиме меньше топлива. Специально улучшен показатель mpg в условиях холодного старта и на высоких скоростях.

Использование электрического водяного насоса и новых систем рециркуляции отработавших газов (EGR) также вносит значительный вклад в эффективность нового двигателя (рис. 4г-д). 1,8-литровый двигатель Prius обеспечивает лучшую экономию топлива и создает меньшую потенциальную необходимость в техническом обслуживании.

Бензиново-электрическая полная гибридная система Prius включает также электронно-управляемую трансмиссию — трансэкл (рис. 4е) с планетарной передачей, которая получает мощность от бензинового двигателя и электрического двигателя, питаемого высоковольтной системой. Система работает в чисто электрическом режиме, чисто бензиновом режиме или в комбинированном бензиново-электрическом режиме — в зависимости от скорости автомобиля и условий вождения. Электрический двигатель (синхронный трехфазный AC) питается от батарейного пакета, который удерживается в заряженном состоянии посредством электричества, сгенерированного бензиновым двигателем и регенеративной системой торможения. Регенеративное торможение использует то, что кинетическая энергия торможения, захват которой применяется для вращения электродвигателя, допускает его работу в режиме генератора.

Система Prius также смешивает преимущества последовательных и параллельных гибридных дизайнов: при этом автомобиль лучше работает в электрическом режиме и заряжает батареи в процессе своего движения.

В последовательно-параллельной схеме оба двигателя могут управлять колесами. Система обычно задействует электрический двигатель на низких скоростях, а бензиновый — на высоких. Базовые компоненты последовательно-параллельной гибридной системы включают, помимо двух двигателей, генератор, устройство разделения мощности (Power Split), блок управления мощностью (инвертор/конвертор) (рис. 4ж-и). Устройство Power Split (рис. 4з), функционирующее на основе планетарной передачи, передает часть мощности бензинового двигателя на колеса, оставшуюся часть — к генератору, который может генерировать электричество для питания электродвигателя или зарядки батареи. Является фактом, что Ni-MH гибридная батарея (рис. 4к) не нуждается в подключении к перезаряжающей станции, и в отсутствие плагинных гибридов на автомобильном рынке для потребителей это скорее преимущество, чем наоборот.

HSD оборудуется блоком контроля мощности, включающим инвертор, усилитель-конвертор и AC/DC-преобразователь (рис. 4и). Инвертор преобразует постоянное напряжение батареи (DC) в переменное (AC) для вращения двигателя и использования генератором, а также переводит AC-напряжение, сгенерированное электродвигателем и генератором, в постоянное для зарядки батареи. Усилитель напряжения/преобразователь повышает напряжение питания, например, нормальное 201,6 В DC до 650 В (для Highlander Hybrid) для подачи на электродвигатель и генератор (больше мощности с меньшим током). DC/DC-преобразователь понижает данное напряжение питания с 201,6 до 12 В для питания электронных систем и ECU — основного блока управления HSD, синхронизирующего и обеспечивающего оптимальную работу системы. Основные функции ECU включают:

• Мониторинг статуса каждого гибридного компонента.
• Мониторинг торможения, данные о котором доступны через автомобильную сеть.
• Наблюдение инструкций водителя (угол педали акселератора, положение переключателя передач).
• Мониторинг энергопотребления вспомогательных систем (фар, кондиционера, навигационной системы).
• В Prius 2010 года использована обновленная на 90% система Hybrid Synergy Drive.
• Важнейшие признаки обновления включают:
• Трансэкл-трансмиссия (transaxle) — коробка передач, объединенная в картере с главной передачей, она легче по весу, потери крутящего момента при этом снижаются на 20% (в сравнении с предыдущими моделями (рис. 4е).
• Инвертор, который преобразует постоянный ток в переменный, имеет новую прямую охлаждающую систему — с целью снижения размера и веса системы (рис. 4и).
• Взятые вместе, инвертор, двигатель и трансэкл меньше и на 20% легче (рис. 4в, е, и).
• Вновь разработанная электронно-контролируемая регенеративная тормозная система применена вместе с управляющей логикой — для повышения эффективности регенерации.

В Prius 2010 года — стандартная мульти-информационная дисплейная панель, с ее помощью осуществляется мониторинг потребления топлива и энергии. Ее назначение — обеспечивать обратную связь, помогая водителю приобретать навыки экономичного вождения. Индикатор ECO на многофункциональном дисплее (Multi-Informational Display, MID) обеспечивает обратную связь водителю для снижения потребления топлива. Среди отличий новой модели — «лунная крыша» с солнечными панелями, четыре режима вождения, интеллектуальная помощь в парковке (Intelligent Parking Assist, IPA), сенсорный контроль рулевого колеса, отображаемый на приборной панели.

Новый Prius, в дополнение к нормальному режиму, предлагает три альтернативных режима вождения (рис. 4ж). EV Mode разрешает автономное управление на батарейной мощности на низких скоростях в течение примерно мили, если позволяют условия. Также имеется режим Power Mode, который увеличивает чувствительность к дроссельному входу, и режим Eco Mode, помогающий водителю достигать лучших показателей mpg. 2010 Prius будет сертифицирован как Super Ultra Low Emission Vehicle (SULEV) и Advanced Technology Partial Zero Emissions Vehicle (AT-PZEV) — в Калифорнии и в штатах, принявших калифорнийские стандарты эмиссии. AT-PZEV сертификация требует, чтобы стандарты SULEV по выхлопам соответствовали требованиям стандарта нулевого испарения топлива. Автомобиль также должен иметь срок службы 150 000 миль, расширенную гарантию эмиссионных систем и технологии CARB для будущих FCV. Новый Prius будет сертифицирован в других странах как Tier 2, Bin 3. Эта модель будеть иметь на 70% меньше эмиссии, образующей смог, чем «среднее» новое транспортное средство.

В Prius следующего поколения задействованы разнообразные источники энергии для уменьшения потребления мощности и повышения эффективности многих автомобильных систем. Вентиляционная система с электрическим вентилятором питается солнечной энергией и обладает интеллектуальными функциями, которые включают снижение циркуляции воздуха при парковке в отсутствие водителя. Система кондиционирования воздуха как главный энергетический сток также прошла ре-инжиниринг с целью повышения ее эффективности и улучшения характеристик охлаждения. Предлагаются опции дистанционного управления климатом автомобиля. Для экономии мощности использованы светодиоды (LED) — опционные в фарах ближнего света и стандартные для задних и стоп-огней (рис. 4м). Система рециркуляции выхлопов снижает потери тепла, используя его для прогрева двигателя в течение холодного старта, за счет тепла выхлопов также более эффективно нагревается салон.

Дать полную характеристику какого-то нового автомобиля только с одной точки зрения — а именно топливной экономии, эффективности и экологичности двигателей и систем — невозможно. Например, разработка различных продвинутых технологий в реализации концепции Toyota «Sustainable mobility» включает и использование углеродно-нейтральной пластмассы в 2010 Prius. Это так называемая экологическая пластмасса (ecological plastic), которая позволяет снизить эмиссию CO₂ в течение срока службы — в отличие от пластмассы, сделанной из нефтепродуктов.

Prius следующего поколения обеспечивает улучшенную стабильность, функциональность, безопасность езды. Дизайн автомобиля отличается повышенной аэродинамичностью. Усовершенствована подвеска, применены дисковые тормоза в 4 углах вместо передних дисковых/задних барабанных тормозов, уменьшен вес автомобиля, время ускорения от 0 до 60 км/ч улучшено до 9,8 с. Также улучшена звуковая изоляция, демпфирование вибрации осуществлено в различных местах — для снижения дорожных шумов.

Грузовая область расширена посредством использования новой и улучшенной компоновки блока батарейного охлаждения. Пространство для ног в области заднего сиденья увеличено благодаря новому контурному дизайну переднего сиденья. Новый сенсорный дисплей (Touch Tracer Display) и сенсоры касания на переключателях рулевого колеса применяются для снижения движения глаз водителя и лучшей концентрации на дороге. Когда водитель трогает аудио- или инфопереключатель, локализованный на рулевом колесе, дублирующее изображение появляется на приборной панели прямо напротив водителя.

Оборудование пассивной защиты включает отвечающую современным стандартам систему подушек безопасности для водителя и пассажиров, в это оборудование входят и активные ограничители головы. Системы Anti-lock Brake System (ABS), Electronic Brake Distribution (EBD), Brake Assist (BA), Electronic Traction Control (TRAC) и Vehicle Stability Control (VSC) поставляются со стандартной системой Star Safety System. Опционное оборудование — радарная система круиз-контроля, которая использует миллиметровый радар, с функциональностью системы помощи при смене полосы (Lane Keep Assist, LKA) и системой подготовки к неизбежной аварии (Pre-Collision System), натягивающей ремни безопасности и применяющей тормоза.

Следующее поколение интеллектуальных систем помощи нового Prius при парковке (Intelligent Parking Assist, IPA) характеризуется еще более упрощенными настройками, для того чтобы помогать вести автомобиль в место парковки. Монитор заднего вида, который обеспечивает обзор задних препятствий, доступен с опционной навигационной системой с голосовой активацией. Телематический сервис Safety Connect включает автоматическое уведомление об аварии, локатор автомобилей и кнопку вызова SOS. Prius 2010 года будет поставляться с пакетами оборудования II, III, IV и V, каждый пакет имеет различные признаки интерьера и экстерьера.

Так, навигационный пакет для моделей Prius III, IV, V включает активируемую голосом сенсорно-экранную DVD-систему с JBL AM/FM/4 CD-блоками со спутниковым радио XM, функциональностью MP3/WMA, Bluetooth-телефоном, 8 спикерами и задней камерой. Пакет Solar Roof Package на Prius III и IV включает весь контент навигационного пакета и «лунную крышу» с питаемой от солнечных батарей системой вентиляции и дистанционной системой кондиционирования воздуха (рис. 4н). В пакет Advanced Technology Package для Prius V входят все составляющие навигационного пакета, а также системы Pre-Collision System, Dynamic Radar Cruise Control, LKA, IPA.

Toyota предоставляет базовую гарантию на компоненты на 36 месяцев/36 000 миль. Дополнительная 60-месячная гарантия распространяется на системы powertrain для 60 000 миль, гарантия от коррозии — без ограничения пробега. Гибридные компоненты, включающие батарею HV, батарейный блок управления, гибридный управляющий модуль и инвертор с конвертором (преобразователем) гарантируются на 8 лет/100 000 миль. В ряде американских штатов эта гарантия увеличена до 15 лет/150 000 миль, за исключением только гибридной батареи, на которую дают гарантию на 10 лет/150 000 миль.

Toyota разрабатывает собственные гибридные батареи. Компании Panasonic EV Energy (PEVE) Co., Ltd. и Matsushita Electric производят все батареи NiMH для всех гибридных автомобилей Toyota и Lexus, а также батареи для конкурирующих автопроизводителей. Цена батарей для автомобилей 2000-2003 гг. выпуска Prius в 2008 году была снижена до $2299, для 2004-2008 гг. Prius — до $2588. Прежняя цена — $2985. В планах Toyota довести производство гибридных батарей NiMH до 1 млн в 2010 году. В конце 2009 года запланирован запуск линии на предприятии PEVE для производства литий-ионных батарей и ограниченный выпуск батарей для PHV — плагинных гибридов. Кроме того, в планах компании ввести в 2010 году все новые BEV, питающиеся от литий-ионных батарей (один из примеров — RAV4-EV).

Плагинные гибриды, автомобили PHV — одна из активно разрабатываемых сегодня компанией Toyota новых гибридных технологий автомобилей в рамках концепции «Sustainable Mobility», которая преследует три цели:

• снижение эмиссии;
• снижение эмиссии, ухудшающей качество воздуха;
• снижение потребления нефти — за счет использования разнообразных источников энергии.

Прототип первого плагинного гибрида Toyota построен на основе модели Prius hybrid. Плагинные системы Toyota разрабатываются функционально аналогично текущему Prius — с переключением от чисто электрического режима к режиму бензинового двигателя и к смешанному бензиново-электри-ческому режиму. Но с дополнением второго никель-металл-гидридного батарейного пакета плагинный Prius может запасать больше электричества, и его батарейная система заряжается посредством подключения к стандартной домашней электрической розетке. С большей электрической мощностью в резерве концептуальный автомобиль способен передвигаться в чисто электрическом режиме более длительное время и на более высоких скоростях, чем текущий Prius.

За счет использования большей электрической мощности, чем в обычных гибридах, плагинные гибриды снижают потребление бензина, эмиссию, шумовые загрязнения. В зависимости от цены электричества, системная цена на топливо может в будущем быть значительно снижена, особенно в областях, где цена зарядки посредством электричества небольшая.

Успех первых продаж Prius привел к расширению предложений гибридных моделей линеек Toyota и Lexus. Еще в 2005 году дебютировал кроссовер Lexus RX 400h — первый в мире гибрид класса «люкс». Затем, двумя месяцами спустя Toyota представила SUV Highlander Hybrid. Prius — лидер с точки зрения экономии с высокими рабочими характеристиками, а Highlander Hybrid — лидер с точки зрения характеристик с функциями экономии топлива.

Весной 2006 года состоялся дебют еще одного полного гибрида от Lexus — седана GS 450h как первого в мире автомобиля с фронтальным двигателем и задним колесным приводом. Тогда же был представлен Camry Hybrid 2007 года — еще один автомобиль Toyota, ставший первым для компании гибридом, построенным в США. Далее Lexus еще более расширяет свою гибридную линейку. В июле 2007 года был введен люкс — седан LS 600h L с полно-гибридной системой powertrain с двигателем V8.

Параллельно в июле 2007-го стартовало второе поколение SUV 2008 Toyota Highlander Hybrid. Все перечисленные автомобили построены с использованием системы Hybryd Synergy Drive. Toyota Highlander Hybrid 2009 года и Camry Hybrid 2010 года показаны на рис. 4о-п. Можно отметить, что разработана гибридная система HSD Camry, работающая на CNG (рис. 4п, р).

Toyota, как и другие компании, инвестирует в разработку разнообразных технологий для повышения топливной экономии, эффективности, экологичности автомобилей будущего.

Следующим значительным событием, помимо введения весной этого года 2-го поколения Prius, о котором подробно было рассказано выше, для компаний-партнеров станет появление 2-го поколения автомобилей 2010 Lexus RX 450h (рис. 5а). Все новые RX Hybrid характеризуются обновленной версией привода Lexus Hybrid Drive, который разработан с целью достижения 20%-ной топливной экономии при сопутствующем увеличении вырабатываемой мощности на 27 л. с. в сравнении с предшественниками.

В конце лета 2009 года на автомобильный рынок будет представлен автомобиль 2010 Lexus HS 250h (рис. 5б) — гибрид класса «люкс», являющийся уже четвертым гибридом в линейке топливно-эффективных автомобилей Lexus.

Рис. 4. Топливно-экономичные технологии Toyota (фото компании Toyota): а-н) гибридный автомобиль Prius 3-го поколения:

• а) Prius V Classic Silver Metallic с пакетом Advanced Technology Package;
• б) Prius IV с солнечной крышей; в) двигатель 1,8 л;
• г) электрический водяной насос 3-го поколения;
• д) двигатель 1,8 л вместе с охлаждаемой системой EGR;
• е) трансэкл 3-го поколения Prius: сравнение трансэклов 2-го и 3-го поколения;
• ж) генераторы MG1 и MG2 2-го и 3-го поколения;
• з) устройство разделения мощности (Power Split): сравнение устройств 2-го и 3-го поколения;
• и) блок управления/инвертор приводной системы Hybrid Synergy Drive: сравнение инверторов 2-го и 3-го поколения;
• к) батарея 3-го поколения (внизу): сравнение батарей 2-го и 3-го поколения;
• л) стандартный режим вождения: EV, Eco и Power режимы;
• м) LED-фары;
• н) крыша Solar Roof;
• о) 2009 Toyota Highlander Hybrid 33;
• п) 2010 Camry Hybrid; р) гибридный привод концептуального автомобиля Camry на натуральном газе

Для компаний Toyota и Lexus 2009 год, согласно их собственному определению, становится «годом гибридов», а в объединенной линейке компаний-партнеров Lexus HS 250h становится уже седьмым по счету гибридным автомобилем.

2010 Lexus RX 450h

Рис. 5. Новые гибридные автомобили Lexus на основе технологии Hybrid Drive:

• а) 2010 Lexus RX 450h; б) 2010 Lexus HS 250h; в) блок управления Hybrid Drive 2010 Lexus RX 450h;
• г) гибридная система с двойными источниками питания и регенеративным торможением;
• д) компактная Ni-MH батарея;
• е) генератор;
• ж, з) системный мониторинг в Lexus RX 450h

Автомобиль Lexus RX 450h отличается повышенными характеристиками эффективности и управляемости в сравнении с RX 400h. Ключевой целью стало повышение экономии топлива в условиях низких температур. Оценки EPA для этого автомобиля — 32 mpg в городе и 28 mpg на шоссе, комбинированная — 30 mpg. Это обеспечивается рядом признаков гибридной системы RX Hybrid Drive system (рис. 5в-з):

• Базовые улучшения двигателя (увеличенная мощность и экономия топлива).
• Принятие цикла Аткинсона с улучшенной топливной экономией, повышенной мощностью двигателя и более низкими температурами выхлопных газов.
• Добавление охлаждаемой системы EGR (для улучшения экономии топлива).
• Применена новая система восстановления тепла выхлопов — для улучшения экономии топлива.
• Снижены потери вследствие трения в гибридном трансэкле.
• Интеллектуальный контроль переключения — Artificial Intelligence (AI) Shift control (улучшенные характеристики/управляемость).
• Новый блок управления мощностью (инвертор и DC/DC-конвертор) (улучшенные характеристики и экономия топлива).
• Увеличенный крутящий момент на переднем (MG2) и заднем (MGR) двигателях/генераторах.
• Новый режим эковождения.

Комбинация цикла Аткинсона и охлаждаемой системы EGR уменьшает необходимость обогащения топлива для охлаждения выхлопных газов, так как с циклом Аткинсона ход расширения длиннее, чем ход сжатия, и энергия сгорания используется более эффективно, одновременно меньше температура выхлопных газов. Преимущества — снижение потребления топлива, особенно при «нагруженном» вождении (подъемы на холмах, в условиях бездорожья).

Охлаждаемая система EGR позволяет точно измерять и проводить выхлопной газ в систему впуска, при этом температура может снижаться от 880 до 150 °C, что уменьшает потери накачки двигателей, улучшает объемный КПД и исключает необходимость применения технологии VVT-i.

Следующая возможность для улучшения топливной эффективности — применение системы восстановления тепла (Exhaust Heat Recovery System). Важная часть стратегии гибридного управления — применение низкой мощности в городских условиях и остановка бензинового двигателя по требованию. Но в зимних условиях тепло двигателя (бензинового и/или электрического) используется для поддержания тепла в кабине. Кроме того, при низких температурах снижается выход батареи, питающей электродвигатель, поэтому компания Lexus разработала эффективную систему, которая извлекает тепло из выхлопов для быстрого повышения температуры охладителя/теплоносителя. Это позволяет останавливать двигатель при -5 °C на 1000 с (несколько более 15 минут) раньше, чем в предыдущей модели.

В системе восстановления тепла нагретый воздух захватывается из выхлопного патрубка. Извлекающий тепло блок размещен прямо на выхлопной системе. Контролируемый термостатом пружинный клапан усиливает рециркуляцию части выхлопного газа в камеру, быстро нагревая окружающий охладитель. Пружина клапана допускает его открытие в течение полного ускорения, когда охладитель нагревается значительно, клапан открывается и позволяет выхлопному газу обходить систему восстановления тепла.

Гибридный трансэкл Lexus отличается возможностью увеличивать крутящий момент и повышенной эффективностью. Двухступенчатый механизм абсорбирует флуктуации крутящего момента и удары при остановках и стартах двигателя, что позволяет допускать более частые старт-стопы в условиях городского вождения.

Интеллектуальный контроль переключения осуществлен впервые. Система оценивает, двигается ли автомобиль вверх или вниз по холму, сопоставляя скорость автомобиля и показания датчика угла положения педали акселератора. В зависимости от оценки выбирается подходящий диапазон переключения трансмиссии (3-6), поддерживаются обороты двигателя на оптимальной скорости в процессе ускорения при движении на холм или осуществления торможения при движении вниз с холма.

Одна из разработок, результатом которой является повышение эффективности RX 450, — новый блок силового контроля, также известный как инвертор. Он выполняет несколько важных функций:

• усиление гибридной батареи от 288 до 650 В DC;
• преобразование постоянного напряжения DC в переменное AC для питания двигателя привода;
• управление двигателем/генератором;
• преобразование напряжения гибридной батареи к 14 В для питания электронных систем и заряда вспомогательной батареи. Управляющий блок использует новую, более эффективную стековую структуру охлаждения, позволяющую значительно увеличить плотность мощности (на 40%), снизить объем (с 30 до 18,2 л) и массу блока (с 30 до 22 кг). Потери мощности в блоке снижены на 10%.

Изменения, выполненные в рабочей схеме, снижают потери вследствие переключения, что также помогает улучшить топливную экономию. Высокие рабочие частоты позволяют снизить шумы инвертора. Электрические двигатели в гибридной приводной системе выполняют две ключевые функции: обеспечивают передвижение и заряжают батарейный пакет. Оба двигателя в RX 450 отличаются увеличением максимального крутящего момента и его диапазона, что допускает увеличенное ускорение и способность к изменению числа оборотов.

Передний двигатель/генератор (MG2) «видит» малое изменение крутящего момента (2 Н-м), но диапазон расширен до 15 км/ч. Задний двигатель/генератор (MGR) получает большее изменение крутящего момента (9 Н-м), диапазон расширен до 35 км/ч.

Гибридный батарейный пакет также модифицирован, новый блок меньше и легче и более компактный. Возможны три режима вождения и опции для различных ситуаций вождения и индивидуальных предпочтений:

• Режим ECO mode обеспечивает модифицированную работу дросселя и контроль прохождения воздуха для поддержки эффективного вождения. Режим изменяет соотношение между движением педали и системным выходом и помогает водителю избегать агрессивного вождения. Нагрузка на двигатель также снижается в течение ускорения, что улучшает экономию топлива.
• Режим EV drive mode допускает работу только электрического двигателя с целью снижения шумов и уменьшения эмиссии, например при парковке.
• Режим последовательного сдвига (Sequential Shift Mode) доступен при перемещении селектора трансмиссии в положение «S», водитель может выбирать любую из 6 скоростей (цель — большая чувствительность или помощь при торможении).

Технологии будущего Nissan: гибриды Altima и программа Green Program 2010

Компания Nissan выделяется среди других автопроизводителей многими своими разработками, прежде всего, электрических автомобилей, а также тем, что ускоренно готовится к осуществлению в 2010 году «зеленой» программы, в рамках которой запланировано введение электрических, гибридных, FCV, дизельных и других технологий, характеризующихся нулевой или малой эмиссией.

Сейчас в линейке автомобилей представлен Altima Hybrid (рис. 6а-д) — единственный на данный момент гибридный автомобиль Nissan, который производится в массовых объемах.

Система powertrain Altima Hybrid включает 4-цилиндровый двигатель Nissan QR25 объемом 2,5 л и стандартную электронно-управляемую CVT с электрическим приводом двигатель/генератор, которые увеличивают топливную экономию и снижают эмиссию. Altima Hybrid сертифицирован как AT-PZEV автомобиль, перекрывая стандарт SULEV. Внимание покупателей акцентируется на том, что данный автомобиль на 90% чище, чем «средний» новый автомобиль. Гарантия на эмиссионное оборудование составляет 15 лет/ 150 000 миль.

Altima Hybrid использует технологию и компоненты Toyota Motor Corporation, согласованные с двигателями Nissan 2,5 л. 4-цилиндровый двигатель QR25 применяется в 4-ом поколении автомобилей Altima, которые отличает больший впускной патрубок, увеличенный коэффициент сжатия и сниженные характеристики трения по сравнению с предыдущим поколением. Двигатель отличается VVT, модульным дизайном и другими усовершенствованиями. Гибридная система Altima Hybrid позволяет достичь показателя 198 л. с. (148 кВт). Оценка топливной экономии EPA — 35 mpg в городе и 33 mpg на шоссе.

Приводная система Altima Hybrid позволяет автомобилю запускаться только от электрической мощности, например при вождении stop-and-go. Улучшение характеристик системы обеспечивается тем, что бензиновый двигатель может стартовать незамедлительно/мгновенно и плавно добавлять мощность. Сглаженное ускорение и максимизацию эффективности powertrain обеспечивает гибридная eCVT, работающая согласованно с блоком управления (HV-ECU), определяющим, какой источник мощности или комбинация источников будет вращать колеса.

Электрический двигатель Altima Hybrid образует высокий крутящий момент на низких скоростях, допуская использование EV-режи-ма для питания автомобиля от запуска и в течение фазы начального старта без запуска бензинового двигателя. Эти фазы характеризуются максимальной топливной эффективностью.

EV-режим Altima Hybrid действует в начальной фазе, затем стартует бензиновый двигатель и принимает нагрузку на себя. Бензиновый двигатель работает независимо на любых скоростях, пока не достигнет скорости, при которой топливная эффективность снижается. Тогда вновь стартует электрический двигатель и добавляет мощность к Altima Hybrid. Это позволяет бензиновому двигателю сохранять оптимальную скорость, но выходной крутящий момент увеличивается за счет вклада электрического двигателя.

На цифровом дисплее на спидометре видно, когда Altima Hybrid работает только от электрической мощности. Измеритель мощности индицирует сумму гибридной мощности в системе. Если мощность меньше нуля, это означает, что гибридная батарея заряжается. Измеритель напряжения батареи позволяет видеть статус гибридной высоковольтной батареи. Навигационная система Altima Hybrid на DVD также включает дисплей, показывающий в реальном времени, как в гибридной системе циркулирует поток энергии (рис. 6в-г).

Автомобиль Altima Hybrid использует технологию регенеративного торможения для заряда батарей. Зарядку осуществляет генератор. Гибридная система регенеративного торможения Altima Hybrid вычисляет усилие торможения, сгенерированное вследствие функционирования педали тормоза, и контролирует силу регенеративного торможения для преобразования кинетической энергии в электрическую, оптимизируя регенерацию. Система запасает энергию в Ni-MH батарее на 244,8 В.

2009 Altima Hybrid предлагается в единственной модели, но с различными пакетами оборудования. Стандартное оборудование включает бензиновый двигатель QR25 и гибридные компоненты, VDC, TCS, eCVT, дисковые тормоза на 4 колесах, ABS, электрическое рулевое управление, 4-колесную подвеску, интеллектуальный ключ (Nissan Intelligent Key) с кнопкой зажигания и двухзонным автоматическим контролем температуры с электрически питаемым AC-устройством, обеспечивающим непрерывное охлаждение даже при остановке бензинового двигателя.

В 2008 году Altima Hybrid был включен в десятку «зеленых» автомобилей («Top 10 Green Cars»). В рамках программы Nissan Green Program 2010 года, философия которой состоит в симбиозе людей, автомобилей и природы, компания разрабатывает новые технологии. Перечислим их главные цели и задачи:

• Снижение эмиссии CO₂ (глобальная цель — 70%-ное снижение CO₂ к 2050 году в сравнении с уровнем 2000 года; в 2010 году — снижение на 7% на единицу в сравнении с 2005 годом).
• Введение трехлитрового автомобиля в 2010 году (бензинового автомобиля с пробегом 100 км на 3 л топлива).
• Расширение применения FFV в следующие три года.
• Запуск электрического автомобиля в следующие три года.
• Разработка гибридных автомобилей.
• Ускорение разработки плагинных гибридов. Разработка Nissan EV началась с 1947 года

Рис. 6. Текущие и будущие технологии Nissan: гибридный автомобиль Altima и технологии в рамках Nissan Green Program 2010:

• а—г) Nissan Altima Hybrid 2009 года — экстерьер (а), системы под капотом (б), комбинация приборов (в) с измерителем мощности (слева) и индикатором заряда гибридной батареи (справа), индикация работы гибридной системы на навигационном дисплее (г); д—м) разработки Nissan в рамках программы Nissan Green Program 2010 года:
• д) Pivo 2 concept EV; е) сравнение обычных (слева) и компактных ламинированных литий-ионных батарей (справа);
• ж) тестовый EV-автомобиль — прототип, оборудованный литий-ионной батареей для производства 2010 года; з) автомобиль X-Trail FCV:
• 1 — двигатель; 2 — инвертор; 3 — топливные стеки Nissan; 4 — 70-мегапаскальный бак высокого давления для запасания топлива; 5 — компактная литий-ионная батарея; и) топливные стеки 2010 года; к) «чистый» дизельный автомобиль X-Trail 20GT; л) «чистая» дизельная система M9R;
• м) иллюстрация чистого сгорания с технологией впрыска под высоким давлением и модульной кинетики (MK)

(Tama Electric Vehicle). Впервые литий-ионная батарея была введена в Prarie Joy EV в 1996 году для выпуска в 1997 году первого в мире EV-автомобиля на литий-ионной батарее, затем — в ультракомпактном автомобиле Hypermini 2000 года. В 1999 году в Японии компания Nissan ввела первый гибридный автомобиль Tino Hybrid.

В 2005 году был представлен концепт Pivo с ультракомпактной батареей, затем в 2007 году — модель Pivo 2 concept EV (рис. 6д) с удвоенной емкостью батарей, если сравнивать их с цилиндрическими. Ультратонкий двигатель 3D в Pivo 2 характеризовался оптимизированным размещением обмоток и магнитов для усиления эффективности магнитного потока, что позволило повысить мощность двигателя и его компактность. С энергопотреблением обычного легкового автомобиля автомобиль генерирует крутящий момент, эквивалентный двигателю V8 объемом 4,5 л (528 Н-м), и мощность, эквивалентную 2,5-литровому двигателю.

Инвертор как механизм, получающий сигналы с педали акселератора и контролирующий расход энергии между батареей и двигателем, включает электрическую часть и охлаждающую систему. Nissan было достигнуто значительное уменьшение данной охлаждающей системы. Ламинированные литий-ионные батареи с вдвое большей емкостью (140 Вт-ч/кг) и в 1,5 раза более мощным выходом позволяли не менее чем 5-летнюю эксплуатацию (100 000 миль) (рис. 6е).

Практически одновременно — осенью 2007 года — был представлен Mixim concept EV. В настоящее время компания готовится к производству прототипа EV-автомобилей в 2010 году.

Работа над продвижением EV-автомоби-лей в последнее время велась ускоренными темпами. Опубликованы данные, что производство автомобилей 2010 года в объеме 50 000 единиц стартует на заводе Oppama, а затем на линии Yokohama будут производиться двигатели и инверторы для массового выпуска автомобилей в 2012 году.

Nissan планирует вводить ZEV-автомобили уже в 2010 году: вначале в США, а в течение двух следующих лет — на мировом рынке, стартуя с 5-пассажирским компактным автомобилем, способным проехать 100 миль на одном заряде. Передвижение данного автомобиля обеспечивается посредством ZEV-двигате-ля и литий-ионного батарейного пакета Nissan.

Поколение EV-автомобилей, представленное в 2008 году, характеризуется переднеприводной схемой с двигателем мощностью 80 кВт, инвертором и компактной литий-ионной батареей. Тестовый прототип EV-автомо-биля 2010 года показан на рис. 6ж, но дизайн производимого в ограниченных и массовых объемах автомобиля будет видоизменен.

Альянс Renault-Nissan в 2009 году анонсировал сотрудничество со многими компаниями и лабораториями, занимающимися продвижением новых технологий электрических автомобилей (EV) и других, отличающихся нулевой или малой эмиссией.

Новая гибридная технология Nissan HEV является оригинальной собственной разработкой на основе литий-ионных батарей и включает две технологии: заднеприводную гибридную колесную систему и параллельную гибридную систему powertrain.

Система parallel-powertrain включает систему оптимизации энергии с двумя сцеплениями, где один электродвигатель непосредственно подсоединен к бензиновому двигателю и трансмиссии через два сцепления. При изменении условий вождения двигатель переключается между двумя сцеплениями, оптимизируя использование мощности и позволяя оптимизировать энергию, одновременно повышая топливную эффективность. Данная гибридная система parallel-powertrain исключает необходимость в обычных преобразователях крутящего момента.

Сцепления имеют следующие динамические характеристики:

• Idle/stop (неработающий двигатель/холостой ход): для питания электродвигателя используется батарея.
• Обычное вождение: бензиновый двигатель применяется для питания электродвигателя и регенерации батареи.
• Ускорение: бензиновый двигатель и батарея (power assist) используются для питания электродвигателя для более сглаженного ускорения.
• Замедление: энергия торможения запасается и перенаправляется для регенерации батареи. Помимо электрических и гибридных автомобилей, Nissan инвестирует, например, технологии CVT (Continuously Variable Transmission), VVEL (Variable Valve Event and Lift, топливно-экономичная система контроля объема впускного воздуха), «чистые дизели», бензиновые, биотопливные автомобили и FCV. CVT Xtronic, например, устанавливается в пассажирских автомобилях и кроссоверах 2009 года, технология Flexible Fuel Technology (FFV) реализуется в пикапе Titan 2009 года и SUV Armada 2010 года. Улучшения для бензиновых двигателей относятся к повышению топливной экономии и включают следующие общие направления:
• повышение топливной эффективности;
• уменьшение воздушного сопротивления во впускных и выпускных патрубках;
• снижение трения в двигателе.

Для повышения топливной эффективности вводятся прямой впрыск (DIG), переменная синхронизация клапанов (C-VTC), VVEL, гомогенное компрессионное сгорание (HCCI), применяется технология переменного сжатия смеси (VCR, Variable Compression Ratio), усовершенствование EGR, исключение дросселя и другие технологии подчиненного уровня. В 2010 году планируется коммерциализация более эффективных турбонагнетателей следующего поколения.

Одной из недавних разработок Nissan является новый FCV-автомобиль X-Trail (рис. 6з), созданный на основе новой усовершенствованной технологии стеков FC (рис. 6и), которые на 25% меньше в сравнении с предшествующим поколением топливных элементов Nissan (2005 года) и обеспечивают более мощный выход — в 1,4 раза: 130 кВт вместо прежних 90 кВт. 70-мегапаскальный топливный бак позволяет запасать на 30% больше водорода, чем в версиях 2003 года. Себестоимость автомобиля, включая меньшее использование платины, для производства также снижена.

Литий-ионные батареи, используемые для прототипов EV, HEV и FCV (рис. 6е, справа), поставляются с дочернего предприятия Nissan-NEC AESC (Automotive Energy Supply Corporation). Характеристики этих батарей для будущего применения в гибридах, согласно данным производителя, значительно превосходят Ni-MH. Новые батареи в два раза мощнее, они отличаются повышенной надежностью и безопасностью, компактностью, конкурентоспособной ценой.

В 2008 году был представлен «чистый» дизельный (Clean Diesel) автомобиль X-Trail 20GT (рис. 6к), достигающий топливной эффективности 15,2 км/л (36 mpg), что является приблизительно 30%-ным улучшением в топливной экономии в сравнении с 2,5-литровым бензиновым двигателем с эквивалентным по мощности выходом. Новый двигатель X-Trail M9R — экономичнее и дешевле, и в то же время соответствует японским эмиссионным стандартам «Post New Long-term Regulations», актуальным уже в 2009 году. Хотя дизельная технология Nissan применялась во многих автомобилях, введение усовершенствованной технологии Clean Diesel во всем мире планируется именно в 2010 году.

Двигатель M9R объемом 2,0 л (рис. 6л), разработанный в партнерстве с Renault и введенный в Европе в 2007 году, эквивалентен по мощности 3,5-литровому бензиновому V6. M9R генерирует максимальную мощность в 127 кВт на 3750 об/мин и максимальный крутящий момент 360 Н-м на 2000 об/мин, но эмиссия M9R намного меньше. Дизельный двигатель обеспечивает высокий крутящий момент на низких скоростях, плавную работу без шумов и вибраций.

Технологии для снижения эмиссии включают (рис. 6л):

• Систему высокого давления Common rail с пьезоинжекторами и модульно-кинети-ческим (MK) сгоранием (рис. 6л-м) для улавливания эмиссии NOx и частиц (сажи) в ранней фазе, двухступенчатой турбоси-стемой.
• Охладитель EGR.
• Фильтр частиц (Diesel Particulate Filter, DPF).
• Катализаторы для улавливания (Lean NOx Trap, LNT): технология улавливания HC-NOx со слоями улавливания HC, NOx, снижения NOx.
• SCR — селективное каталитическое снижение/нейтрализация оксидов азота с впрыском мочевины.
• Двойной вихревой порт (Double swirl port): помещение впускного и выхлопного портов в противоположных положениях ускоряет завихрение и повышает эффективность работы двигателя.

Введение технологии «Чистого дизеля», представленной в автомобиле X-Trail 20GT, планируется осуществить в рамках программы 2010 года. Параллельно к линейке автомобилей Nissan добавятся гибридный дизельный грузовик Atlas H43 и его CNG-питаемая версия.

«Чистый дизель» TDI, бензиновый двигатель TSI Twincharger и гибридные стратегии Volkswagenъ

Рис. 7. «Чистые» дизельные автомобили и системы Volkswagen:

• а) Jetta TDI 2009 года; б) 2009 Jetta Sportwagеn TDI; в) 2009 Touareg 2 TDI; г) 2010 Golf TDI; д) двигатель TDI; е) дизельная эмиссионная система; ж) новый двигатель объемом 1,4 TSI Twincharger; з) эффективные фары bi-Xenon
• Рис. 7. «Чистые» дизельные автомобили и системы Volkswagen:
• а) Jetta TDI 2009 года; б) 2009 Jetta Sportwagеn TDI; в) 2009 Touareg 2 TDI; г) 2010 Golf TDI; д) двигатель TDI; е) дизельная эмиссионная система; ж) новый двигатель объемом 1,4 TSI Twincharger; з) эффективные фары bi-Xenon

Современные достижения компании Volkswagen в осуществлении топливной экономии, эффективности, экологичности производимых автомобилей включают технологию «Чистый дизель» двигателей TDI и значительные достижения в улучшении бензиновых двигателей TSI.

Все производимые дизельные двигатели с непосредственным впрыском под высоким давлением и турбонагнетателем компания Volkswagen обозначает как TDI.

Модельный ряд на основе технологии Clean Diesel Volkswagen представлен следующими дизельными автомобилями: Jetta TDI, Jetta Sportwagеn TDI, Touareg 2 TDI. В 2009 году планируется введение 2010 Golf TDI (рис. 7а-г). Среди них Jetta TDI — наиболее топливно-экономичный и экологичный. С оценками 29 mpg в городе и 40 mpg на шоссе данный автомобиль попал в десятку EPA самых топливно-экономичных автомобилей 2009 года. Этот автомобиль отмечен наградой 2009 года «Green Car of the Year» журнала Green Car Journal. Топливная экономичность Jetta Sportwagen TDI оценивается EPA аналогично Jetta TDI. Оценка EPA для SUV Touareg TDI — 17 mpg в городе и 25 mpg на шоссе. Технология Clean Diesel предполагает использование специального дизельного топлива, новую технологию двигателя в сочетании с контролем эмиссии (рис. 7д-е).

Clean Diesel использует топливо с ультрамалым содержанием серы для более чистого сгорания. Согласно данным VW, топливо Ultra-Low Sulfur Diesel (ULSD) характеризуется содержанием серы 15 ppm вместо типичных 500 ppm. Данное топливо уже продается в Европе и рекомендуется для дизельных автомобилей других производителей.

Дизельные двигатели — более эффективны, чем бензиновые. Основное отличие бензинового двигателя — применение свечи; дизель использует для возгорания сжатие, поэтому больше топлива участвует в сгорании, что дает больший крутящий момент с меньшими топливными затратами. Еще одно преимущество современных дизельных двигателей по сравнению с бензиновыми — возможность быстрого старта в холодную погоду. Недостаток дизелей прежних лет — шум и вибрация, но современные технологии позволяют их значительно снизить.

Технология Clean Diesel для более полного и чистого сгорания применяет также системы впрыска топлива непосредственно в камеру сгорания двигателя VW TDI. Результат — более высокая топливная эффективность (согласно данным производителя, на 20-40% выше, чем с бензиновыми двигателями) и меньшая эмиссия. Используются пьезоэлектрические инжекторы с высоким давлением. Технология непосредственного впрыска дизельного топлива обеспечивает двигателю максимальный КПД, который в настоящий момент составляет не менее 45%. Большая часть энергии сгорания преобразуется в кинетическую и в выходную мощность двигателя.

Двигатели TDI характеризуются переменной геометрией турбин, что обеспечивает оптимальное заполнение цилиндров и эффективное сжигание. Для более эффективного и полного сгорания уделено внимание геометрии камеры сгорания и распылению топлива. Автомобили с малыми двигателями оснащены самоочищающимися фильтрами для удаления NOx в системе контроля эмиссии.

В отличие от других двигателей с системой впрыска мочевины TDI Clean Diesel применяет катализатор для запасания NOx в резервуаре, подобно фильтру частиц (он также присутствует в системе), откуда эмиссионные отходы выжигаются в течение одного из циклов двигателя, что контролируется системой управления двигателем. Результатом является снижение эмиссии NOx и частиц на 90%. Двухлитровые турбодизели в 2009 году попали в десятку лучших двигателей (10 Best Engine) автомобильной группы Ward’s Automotive Group. Touareg TDI ввиду размера двигателя (6-цилиндровый V6 TDI Clean Diesel объемом 3,0 л мощностью 221 л. с. и крутящим моментом 407 lbs-ft. (550 Н-м)) для удаления NOx использует систему впрыска мочевины. В число инноваций VW входит также технология Clean Diesel Racing, для которой в 2009 году предложено биотопливо SynDiesel B5.

Параллельно компания VW, помимо дизельных, выпускает и бензиновые двигатели, важнейшей идеей при создании которых является получение максимальной мощности при минимальных затратах топлива. Примером является 4-цилиндровый двигатель TSI автомобилей Golf, Golf Variant, Golf Plus, Jetta, Touran и других.

Двухнаддувные моторы TSI три года подряд (в 2006, 2007 и 2008 годах) получали звание «Двигатель года» в престижном техническом конкурсе «Engine of the year». Прямой впрыск в этих двигателях сочетается с турбонаддувом или даже комбинированным наддувом посредством компрессора и турбонагнетателя.

Настройка двигателей TSI позволяет при низкой частоте вращения коленчатого вала двигателя от 1500 или 1750 об/мин получать максимальный показатель крутящего момента, что повышает экономичность и улучшает динамику (высокая мощность в широком диапазоне оборотов).

В 2009 году новый двигатель объемом 1,4 TSI Twincharger (рис. 7ж) с турбонагнетателем с комбинированным наддувом, устанавливаемый на автомобилях Golf, Eos, Scirocco, Touran, Tiguan, Jetta, Seat Ibiza Cupra, стал победителем конкурса «Международный двигатель года». Данный двигатель был отмечен и в номинации «Зеленый двигатель года», и в номинации «Двигатель объемом 1-1,4 л». Кроме того, двигатели TSI превосходно комбинируются с трансмиссиями с высокими передаточными числами, что также повышает топливную экономичность.

В 2007 году была представлена еще одна разработка компании — 6- или 7-скоростная «сухая» коробка с двойным сцеплением (Dual Clutch Gearbox, DSG), также участвующая в повышении топливной экономии и снижении эмиссии. Германская организация ADAC отметила комбинацию двигателей TSI и семиступенчатой коробки передач DSG своим призом «Желтый ангел 2008» в категории «Инновация и окружающая среда». Общая заявленная экономия топлива с системами TDI, TSI и DSG в автомобилях Golf достигает 28%. Golf — самая популярная модель автомобилей VW, общее число продаж которых превысило 26 млн. В конце 2008 года стартовало уже шестое поколение данных автомобилей. Журналисты из 25 стран (WCOTY) на прошедшей выставке NAIAS назвали новый Golf лучшим автомобилем 2009 года в мире.

Новый Golf Plus представлен в начале 2009 года (и в версии BiFuel) как двухтопливный автомобиль, работающий на LPG. Битоплив-ный привод позволяет снизить эмиссию CO₂ и потребление топлива: 4-цилиндровый двигатель объемом 1,6 л мощностью 72 кВт потребляет 9,8 л LPG на 100 км (эмиссия CO₂ — 159 г/км). Эмиссия CO₂ на 10% ниже, чем у бензиновых автомобилей. При работе от бензинового топлива Golf Plus BiFuel даже более экономичен (7,5 л Super на 100 км, 179 г/км CO₂).

Для справки, Volkswagen Golf был отмечен как 2009 World Car. Модельный ряд далее продолжает дизель Golf GTD. Помимо двигателей и систем Powertrain, компания VW применяет и другие менее энергоемкие/энергосберегающие технологии: например, солнечные крыши, более эффективные, чем галогено-вые, фары bi-Xenon (рис. 7з).

Будущее своих автомобилей Volkswagen связывает с гибридизацией дизелей и бензиновых автомобилей. Технологии BlueMotion включают разработки новой старт-стоп системы, регенеративное торможение, электрические приводы, гибридные системы, приводные системы TSI EcoFuel (натуральное газовое топливо), SCR (каталитические конвертеры).

Система старт-стоп работает следующим образом. Когда водитель прикладывает торможение и далее переключает рычаг в нейтральное положение, выключает сцепление, двигатель моментально выключается. Сообщение «Start Stop» возникает на многофункциональном дисплее. Для старта водитель полностью выжимает сцепление, двигатель стартует, вновь появляется сообщение «Start Stop».

Регенеративное торможение работает следующим образом: при ускорении или в фазе торможения повышается напряжение заряда альтернатора, который преобразует кинетическую энергию в электрическую для заряда батареи. Контроль альтернатора со специальным ПО позволяет снижать напряжение или выключать прибор в периоды ускорения или нормального вождения, оптимизируя эффективность двигателя, его нагрузку, топливную экономию и процесс заряда батареи.

Технологии BlueMotion реализованы, например, в концептуальном автомобиле Polo BlueMotion и Concept BlueSport, трех версиях Passat: Blue Motion, TSI EcoFuel, BlueTDI, а также в Touareg V6 TSI Hybrid, Golf Blue-Motion, Golf Plus BlueMotion и других моделях. Среди технологических инноваций VW и прототипы водородных автомобилей с литий-ионной батареей (например, SUV Tiguan, минивэн Touran, Passat Lingyu).

Топливный фильтр

Автомобильное топливо может содержать в себе массу посторонних примесей: грязь, ржавчину, различные смолы и даже воду. Твердые частицы оседают в баке и, попадая в топливную систему, приводят к механическому повреждению основных узлов двигателя и быстрому их износу. Как страж безопасности, топливный фильтр – неотъемлемая часть системы подачи топлива, в задачу которого входит очистка бензина от посторонних примесей и грязи.

Разновидности топливных фильтров

Фильтр-патрон по конструкции самый сложный среди автомобильных расходных материалов. Фильтрующий элемент имеет сотообразную структуру из комбинации бумаги, полиэфирных и стекловолокон, долго сохраняет свою форму и способность задерживать посторонние примеси.

Функциональность фильтров отличается для бензиновых и дизельных двигателей, так как для различных видов топлива необходимые различные свойства фильтрующего элемента.

Карбюраторные двигатели не слишком прихотливы к составу топливной смеси, поэтому для них достаточно фильтрующей способности порядка 15-20 мкм. Более мелкие примеси по размерам не способны нанести значительный ущерб элементам топливной системы. Фильтр установлен перед карбюратором и выполнен в прозрачном корпусе, что позволяет визуально отслеживать степень засорения и необходимость замены.

Топливная система дизельных двигателей является самой чувствительной к качеству солярки – фильтра для таких моторов должны справляться с примесями до 5 мкм и выводить воду из топливной смеси. Часто их оборудуют подогревом, чтобы содержащиеся в дизельном топливе парафины не замерзали при отрицательных температурах и не забивали фильтрующий элемент.

Замена по сроку или необходимости

Срок службы фильтр-элемента напрямую зависит от используемого топлива, качество которого далеко от идеального. Фактический интервал использования расходного элемента может значительно отличаться от регламента производителя, который рекомендует проводить замену топливного фильтра через каждые 60-80 тыс. км пробега.

Загрязнение происходит постепенно, поэтому можно не сразу обнаружить снижение эффективности его работы и возможную угрозу для топливной системы. При снижении пропускной способности фильтра давление в топливной системе не успевает восстанавливаться, в результате происходит плохое распыление небольшого количества топлива и неполное сгорание некачественной смеси. В работе автомобиля появляются некоторые особенности «поведения», по которым можно определить неисправность или засорение топливного фильтра:

• движение рывками;
• «вялый» разгон;
• снижение мощности двигателя (при отсутствии других причин);
• увеличение расхода топлива.

Регулярная проверка и своевременная замена топливного фильтра позволит избежать засорения топливной системы и предотвратить быстрый износ частей двигателя.

Обзор – оригинал или аналог

Качественные топливные фильтры предлагают следующие производители:

• Denso – официальный производитель оригинальных топливных фильтров и большинства запасных частей для автомобилей марки Тойота. Высокая степень фильтрации, устранение загрязнений различного типа в топливе для защиты двигателя достигается за счет сотовой структуры фильтрующего волокна. Стоимость оригинального «расходника» в зависимости от модели авто составляет 2000-3500 руб.
• Fram является глобальным производителем уникальных топливных фильтров. Дизельные варианты способны улавливать до 95% частиц размером до 5 мкм. Для стопроцентной защиты они оснащены электронагревателем и датчиком контроля уровня воды. Купить топливный фильтр компании Fram можно по цене около 860 руб.
• Mann предлагает многослойный фильтрующие элементы, которые по производительности не уступают оригинальным. Комбинация различных материалов позволяет подобрать оптимальный вариант по сроку службы, степени фильтрации и способности удерживать влагу. Цена вопроса – 1200 руб.
• Knecht (Mahle Filter) производит фильтры высокого качества, но особое внимание компания уделяет экологической безопасности выпускаемой продукции. Стоимость составляет 600-900 руб.
• Sacura – японский поставщик. Расходные материалы проходят тестирование на соответствие заявленным характеристикам – производительность, срок службы, перепады давления. Купить расходный элемент можно по цене 450 руб.
• Alco Filter – немецкая компания (с основным производством на Кипре). Топливный фильтр для Тойота можно приобрести за 480 руб.
• Bosch предлагает дизельные фильтра в сборе и с возможностью замены фильтрующих частей. Они способны эффективно удалять воду из топлива и собирать ее в специальных накопителях. Цена составляет 450 руб.

Топливный фильтр может отличаться по резьбе, фильтрующему материалу и его пропускными способностями, возможностью работать под определенным давлением. Независимо от фирмы-производителя (оригинал или аналог), выбранный «расходник» должен быть предназначен для конкретной модели автомобиля.

Устройство и виды топливных систем бензиновых и дизельных двигателей

Топливная система – важнейшая часть автомобиля, которая служит для подачи топлива из бака в камеру сгорания двигателя. Она состоит из множества элементов, предназначенных для транспортировки, фильтрации, учета, подготовки и отвода топлива. В статье подробнее рассмотрим топливные системы бензиновых и дизельных двигателей, а также узнаем, что такое линия возврата топлива (“обратка”) и зачем она нужна.

1. Состав и функции системы подачи топлива
2. Виды питания бензиновых двигателей
3. Карбюраторные
4. Инжекторные
5. Схема, устройство и принцип работы для дизельного двигателя
6. Common rail
7. Разделенная и насос-форсунка
8. Линия возврата топлива (“обратка”)
9. Полезное видео

Состав и функции системы подачи топлива

Главная функция любой топливной системы – это подача необходимого количества топлива из бака в камеру сгорания в определенный момент времени. Функционально она разделяется на две основных системы:

• транспортировка топлива, его фильтрация и создание давления в системе – выполняется механическими и гидравлическими устройствами;
• расчет количества и момента впрыска топлива, а также распределение его по цилиндрам – осуществляется электронными устройствами.

Топливная система автомобиля

В состав топливной системы входят следующие элементы:

• Бак – герметичная емкость для хранения топлива.
• Трубопроводы (прямой и обратный) – трубки и гибкие шланги, по которым осуществляется транспортировка топлива.
• Фильтры (грубой и тонкой очистки) – выполняют очистку от механических загрязнений.
• Регулятор давления – необходим для обеспечения заданного уровня давления.
• Насос – как правило, погружной, приводимый в движение электродвигателем.
• ТНВД – для систем непосредственного впрыска (дизельных двигателей).
• Топливные форсунки.

Виды питания бензиновых двигателей

В зависимости от типа бензинового двигателя, различают топливные системы:

• карбюраторные;
• инжекторные.

Они имеют отличия в конструкции и рабочих параметрах.

Карбюраторные

Работа карбюраторной системы осуществляется по следующему принципу:

1. Насос всасывает топливо из бака. При этом он обеспечивает невысокое давление, достаточное лишь для подачи топлива.
2. Двигаясь по трубопроводу, топливо проходит фильтрацию.
3. В специальной камере (карбюраторе) горючее смешивается с воздухом.
4. Готовая смесь подается напрямую в цилиндры двигателя, где она сгорает.

Инжекторные

Топливная система инжекторного двигателя отличается тем, что имеет систему впрыска, принудительно нагнетающую топливо в камеру сгорания. Какое давление в топливной системе инжекторного двигателя создает насос зависит от типа впрыска:

• С индивидуальными форсунками для каждого цилиндра (распределенный впрыск). Создаваемое насосом давление в топливной рампе составляет от 2,5 бар до 4 бар.
• С одной форсункой (моновпрыск), подающей топливо для всех цилиндров двигателя. Простая схема, которая в современном автомобилестроении практически не используется из-за низкой экономичности.
• Непосредственный впрыск. Форсунки установлены в головке блока цилиндров, что позволяет выполнять прямой впрыск топлива в цилиндры. В этом случае рабочее давление составит около 155 бар.

Схема работы топливной системы инжекторного бензинового двигателя:

1. Насос через фильтры подает бензин в топливную рампу.
2. Регулятор на рампе обеспечивает заданный уровень давления топлива.
3. Форсунки, установленные на рампе, впрыскивают топливо в цилиндры.
4. В момент подачи бензина в цилиндры подается и воздух, образуется топливовоздушная смесь.

Схема, устройство и принцип работы для дизельного двигателя

Системы подачи дизельного топлива имеют свои особенности. Различают три типа конструкций:

• Сommon rail (или аккумуляторная);
• С насос-форсунками;
• Разделенные.

Common rail

Наиболее популярная топливная система для дизелей – аккумуляторная (или common rail). Она соответствует более высоким экологическим стандартам. Это обеспечивается благодаря независимости процессов впрыскивания дизеля от режимов работы двигателя.

Конструктивно система питания дизеля common rail имеет два основных контура:

1. Участок низкого давления – состоит из топливного бака, насоса низкого давления, трубопроводов и фильтра.
2. Участок высокого давления – состоит из топливного насоса высокого давления (ТНВД), трубопровода, рампы (аккумулятора) и форсунок.

Принцип работы топливной системы дизеля представляет собой следующую последовательность:

1. Насос низкого давления нагнетает дизель из топливного бака в трубопровод.
2. Проходя по трубопроводу через фильтры грубой и тонкой очистки дизель подается в насос высокого давления.
3. ТНВД подает топливо в форсунки, с помощью которых происходит впрыск в цилиндры.
4. Одновременно с впрыском топлива происходит подача воздуха.

Разделенная и насос-форсунка

Разделенная топливная система состоит из топливного бака, трубопроводов, ТНВД и форсунок. При этом насос и форсунки соединены длинными трубопроводами, рассчитанными на высокое давление. Разделенная схема активно применяется в отечественном автомобилестроении, поскольку отличается низкой стоимостью и простотой конструкции.

В свою очередь, насос-форсунка – устройство, одновременно создающее нужный уровень давления и производящие впрыск топлива. Она располагается в головке блока цилиндров и приводится в действие кулачковым механизмом. Прямая и обратная магистрали при этом реализованы как каналы, находящиеся непосредственно в головке блока.

Рабочее давление при такой схеме составляет до 2 200 бар.

Этот способ имеет важный недостаток – он характеризуется зависимостью давления от режима работы двигателя.

Линия возврата топлива (“обратка”)

Как правило, топливный насос имеет постоянную производительность, то есть закачивает топливо из бака в рампу под постоянным давлением. Двигатель же работает на разных режимах, потребляя разное количество топлива, в зависимости от его нагрузки. Таким образом, возникает необходимость контролировать давление и количество топлива в топливной рампе.

Этим занимается регулятор давления топлива, который сливает излишки топлива обратно в бак через линию возврата топлива, так называемую “обратку”. В настоящий момент существует два вида топливных систем, отличающихся наличием или отсутствием линии возврата топлива (обратной магистрали).

1. Система подачи топлива с линией возврата. Топливо, которое не было впрыснуто форсункой, является избыточным и оно возвращается обратно в бак через регулятор, который расположен на топливной рампе, и линию возврата. Таким образом в топливном коллекторе поддерживается постоянное давление.
2. Топливная система без линии возврата. Регулятор давления топлива в таких системах обычно устанавливается в модуле погружного топливного насоса. Избыточное топливо, подаваемое насосом, возвращается обратно в бак через короткую линию возврата. При этом в топливную рампу подается только то количество топлива, которое впрыскивается форсунками. Данная система имеет следующие преимущества – меньшая стоимость и меньший подогрев топлива в баке.

Полезное видео

Ознакомьтесь с дополнительной информацией о системе питания инжекторного двигателя на видео ниже:

Как правило, основные элементы топливной системы одинаковы для большинства моделей автомобилей, находящихся в одной категории. С другой стороны, практические характеристики могут изменяться, в зависимости от технических особенностей конкретного двигателя.

Источник Источник http://kit-e.ru/sensor/toplivnaya-ekonomiya-effektivnost-ekologichnost-atributy-novyh-avtomobilej-dvigatelej-i-sistem-chast-2/
Источник http://motorist.expert/filtri/toplivnyj-filtr.html
Источник Источник http://techautoport.ru/dvigatel/toplivnaya-sistema/toplivnye-sistemy-benzinovyh-i-dizelnyh-dvigateley.html