Переменная геометрия двигателя: технология отключения цилиндров.

Введение

Технология двигателей внутреннего сгорания.
Переменное смещение – это технология автомобильного двигателя, позволяющая изменять рабочий объем двигателя, как правило, путем отключения цилиндров, для повышения экономичности. Эта технология в основном применяется в больших многоцилиндровых двигателях. Многие автопроизводители внедрили эту технологию к 2005 году, хотя сама концепция существовала и ранее.

Теория действия

Деактивация цилиндров используется для снижения расхода топлива и выбросов двигателя внутреннего сгорания при работе под небольшой нагрузкой. При типичном вождении с небольшой нагрузкой водитель использует лишь около 30 процентов максимальной мощности двигателя. В таких условиях дроссельная заслонка почти закрыта, и двигателю приходится работать, чтобы втягивать воздух. Это вызывает неэффективность, известную как потери на прокачку. Некоторые двигатели большого объема должны быть настолько сильно приглушены при небольшой нагрузке, что давление в цилиндре в верхней мертвой точке составляет примерно половину давления небольшого 4-цилиндрового двигателя. Низкое давление в цилиндре приводит к снижению топливной экономичности. Использование деактивации цилиндров при небольшой нагрузке означает, что меньше цилиндров втягивают воздух из впускного коллектора, что способствует повышению давления жидкости (воздуха) в нем. Работа без изменения объема является неэффективной, поскольку топливо непрерывно подается в каждый цилиндр и сжигается, даже если максимальная производительность не требуется. Отключая половину цилиндров двигателя, количество потребляемого топлива значительно сокращается. За счет снижения потерь на прокачку, что увеличивает давление в каждом рабочем цилиндре, и уменьшения количества топлива, подаваемого в цилиндры, расход топлива можно снизить на 8–25% в условиях шоссе. Деактивация цилиндров достигается за счет удержания впускных и выпускных клапанов закрытыми для конкретного цилиндра. Удерживая впускные и выпускные клапаны закрытыми, создается «воздушная пружина» в камере сгорания – запертые выхлопные газы (сохраненные от предыдущего цикла сгорания) сжимаются во время хода поршня вверх и толкают поршень вниз во время его хода вниз. Сжатие и расширение запертых выхлопных газов оказывают выравнивающее действие – в целом дополнительная нагрузка на двигатель практически отсутствует. В новейших системах деактивации цилиндров система управления двигателем также используется для прекращения подачи топлива в отключенные цилиндры. Переход между нормальной работой двигателя и деактивацией цилиндров также сглаживается за счет изменения момента зажигания, фаз газораспределения и положения дроссельной заслонки (благодаря электронному управлению дросселем). В большинстве случаев деактивация цилиндров применяется к относительно большим по объему двигателям, которые особенно неэффективны при небольшой нагрузке. В случае V12 можно отключить до 6 цилиндров. Попытки были предприняты в 1981 году на неудачном двигателе L62 "V8 6 4" от Cadillac. Технология стала стандартной функцией на всех моделях Cadillac, за исключением Seville, в которой в качестве базового двигателя использовался 350-литровый дизельный двигатель V8. Cadillac совместно с Eaton Corporation разработали инновационную систему V8 6 4, которая использовала первый в отрасли блок управления двигателем для переключения двигателя с 8 на 6 или 4 цилиндра в зависимости от необходимой мощности. По данным Alfa Romeo, в ходе этих испытаний было установлено, что деактивация цилиндров снижает расход топлива на 12% по сравнению с двигателем с впрыском топлива CEM без изменения объема и почти на 25% по сравнению с обычным карбюраторным 2,0-литровым двигателем. Поскольку система Cadillac оказалась неудачной, а использовался четырехцилиндровый двигатель, Mitsubishi объявила свою систему первой в мире. Позже эта технология была использована в двигателях V6 Mitsubishi. Система работала путем отключения клапанов на цилиндрах № 1 и 4 при скоростях ниже определенного значения, на холостом ходу и при замедлении. Показатели расхода топлива в целом улучшались на 20% по сравнению с обычным двигателем 4G12. Однако источники в то время жаловались на то, что двигатель работает очень грубо в двухцилиндровом режиме, несмотря на специальные опоры двигателя с гидравлической демпфированием. Другие усилия, предпринятые для минимизации вибраций и жесткости, включали в себя участок гибкой выхлопной трубы, не запуск системы до тех пор, пока температура охлаждающей жидкости не достигнет 70°C, и маховик на 70% тяжелее. Усилия Mitsubishi оказались недолговечными, главным образом из-за отсутствия интереса со стороны покупателей автомобилей. В 1993 году, через год после того, как Mitsubishi разработала собственную технологию изменения фаз газораспределения, была представлена модификация MIVEC MD. Возрожденная технология MD была теперь второго поколения с улучшенными электронными системами управления двигателем, позволяющими переключаться с 4 на 2 цилиндра практически незаметно. В режиме MD двигатель MIVEC использует только два из четырех цилиндров, что значительно снижает потери энергии из-за потерь на прокачку. Кроме того, снижаются потери мощности из-за трения двигателя. Хотя экономия топлива увеличилась, ускорение серьезно ухудшилось, а потеря вакуума в двигателе привела к опасной потере усилителя тормозов при работе системы в четырехцилиндровом режиме. Благодаря компьютерному управлению быстрое включение и выключение цилиндров происходит практически мгновенно. Несколько автопроизводителей в настоящее время выпускают двигатели с деактивацией цилиндров. Технология переменного объема Active Cylinder Control (ACC) от Daimler AG дебютировала в 2001 году на 5,8-литровом V12 в CL600 и S600. Mercedes-Benz разработала свою систему Multi Displacement System V12 в конце 1990-х годов, которая отключает каждый второй цилиндр в порядке зажигания. Она была широко внедрена на двигателях V8 с толкателями, начиная с DaimlerChrysler Hemi 2004 года. Начиная с 2003 года Honda представила Variable Cylinder Management на двигателях семейства J. Система Honda работает путем отключения банков цилиндров, переключаясь с 6 на 4 и на 3 цилиндра. В 2005 году GM представила свою систему деактивации цилиндров Active Fuel Management (в двигателе Generation IV small block), которая, как и MDS от Chrysler, отключает половину цилиндров. В 2018 году GM представила улучшенную систему под названием Dynamic Fuel Management, которая отключает любое количество цилиндров в различных комбинациях в зависимости от текущих потребностей. Система основана на Dynamic Skip Fire, технологии, разработанной калифорнийской компанией Tula Technology, и 6,2-литровый двигатель, в котором она используется, был назван одним из 10 лучших двигателей Ward's за 2019 год. В 2012 году Volkswagen представила Active Cylinder Technology (ACT), став первым производителем, сделавшим это на четырехцилиндровых двигателях. В ноябре 2016 года Ford объявила о выпуске своего компактного трехцилиндрового двигателя Ecoboost с деактивацией одного из цилиндров. Это самый маленький двигатель на сегодняшний день, использующий деактивацию, и позволит применять преимущества в малолитражных автомобилях. В ноябре 2017 года Mazda объявила о стандартной деактивации цилиндров во всех моделях CX-5 2018 года и о доступности на моделях Mazda6. По состоянию на 2020 модельный год около 15% легковых автомобилей, продаваемых в Соединенных Штатах, использовали деактивацию цилиндров, в основном Mazda (64%), GM (44%), Honda (24%) и FCA (23%).

Cylinder deactivation is used to reduce the fuel consumption and emissions of an internal combustion engine during light load operation. In typical light load driving the driver uses only around 30 percent of an engine’s maximum power. In these conditions, the throttle valve is nearly closed, and the engine needs to work to draw air. This causes an inefficiency known as pumping loss. Some large capacity engines need to be throttled so much at light load that the cylinder pressure at top dead centre is approximately half that of a small 4 cylinder engine. Low cylinder pressure results in lower fuel efficiency. The use of cylinder deactivation at light load means there are fewer cylinders drawing air from the intake manifold, which works to increase its fluid (air) pressure. Operation without variable displacement is wasteful because fuel is continuously pumped into each cylinder and combusted even though maximum performance is not required. By shutting down half of an engine's cylinders, the amount of fuel being consumed is much less. Between reducing the pumping losses, which increases pressure in each operating cylinder, and decreasing the amount of fuel being pumped into the cylinders, fuel consumption can be reduced by 8 to 25 percent in highway conditions. Cylinder deactivation is achieved by keeping the intake and exhaust valves closed for a particular cylinder. By keeping the intake and exhaust valves closed, it creates an "air spring" in the combustion chamber – the trapped exhaust gases (kept from the previous charge burn) are compressed during the piston’s upstroke and push down on the piston during its downstroke. The compression and decompression of the trapped exhaust gases have an equalising effect – overall, there is virtually no extra load on the engine. In the latest breed of cylinder deactivation systems, the engine management system is also used to cut fuel delivery to the disabled cylinders. The transition between normal engine operation and cylinder deactivation is also smoothed, using changes in ignition timing, cam timing and throttle position (thanks to electronic throttle control). In most instances, cylinder deactivation is applied to relatively large displacement engines that are particularly inefficient at light load. In the case of a V12, up to 6 cylinders can be disabled. were re attempted in 1981 on Cadillac's ill fated L62 "V8 6 4" engine. The technology was made a standard feature on all Cadillac models except Seville, which had the 350 diesel V 8 engine as a base engine. Cadillac, in conjunction with Eaton Corporation, developed the innovative V 8 6 4 system which used the industry's first engine control unit to switch the engine from 8 to 6 to 4 cylinder operation depending on the amount of power needed. According to Alfa Romeo during these tests cylinder deactivation was found to reduce fuel consumption by 12% in comparison to a CEM fuel injected engine without variable displacement, and almost by 25% in comparison to the regular production carburetted 2.0 litre. Because Cadillac's system proved to be a failure and a four cylinder engine was used, Mitsubishi hailed their own as a world first. The technology was later used in Mitsubishi's V6 engines. The system worked by disabling the valves on cylinders number 1 and 4 at speeds below , at idling, and while decelerating. Fuel consumption figures were generally about 20 percent improved over the regular 4G12 engine. Period sources, however, complained about the engine running very roughly while in two cylinder mode, despite special engine mounts with hydraulic damping. Other efforts taken to minimize vibrations and harshness included a section of flexible exhaust pipe, not operating the system until the coolant temperature reached 70C, and a 70 percent heavier flywheel. Mitsubishi's effort remained short lived, mainly because of a lack of response from car buyers. In 1993, a year after Mitsubishi developed its own variable valve timing technology, the MIVEC MD variant was introduced. The revived MD technology was now in its second generation with improved electronic engine controls enabling the switch from 4 to 2 cylinders to be made almost imperceptibly. In MD mode, the MIVEC engine utilizes only two of its four cylinders, which reduces significantly the energy wasted due to pumping losses. In addition, power loss due to engine friction is also reduced. While fuel economy was increased, acceleration was seriously compromised, and the loss of engine vacuum led to a dangerous loss of braking assist when the system was in four cylinder mode. With computer control, fast cylinder deactivation and reactivation occur almost instantly. Several automotive manufacturers have engines with cylinder deactivation in current production. Daimler AG's Active Cylinder Control (ACC) variable displacement technology debuted in 2001 on the 5.8 L V12 in the CL600 and S600. Mercedes Benz developed their Multi Displacement System V12 in the late 1990s, which shuts off every other cylinder in the firing order. It was widely deployed on pushrod V8 engines starting with the 2004 DaimlerChrysler Hemi. Starting in 2003, Honda introduced Variable Cylinder Management on the J family engines. Honda's system works by deactivating banks of cylinders, switching from 6 to 4 to 3 cylinders. In 2005, GM introduced their Active Fuel Management cylinder deactivation system (in the Generation IV small block) which, similar to Chrysler's MDS, switched off half of the cylinders. In 2018 GM introduced an improved system called Dynamic Fuel Management that shuts off any number of cylinders, in a variety of combinations, depending on immediate needs. The system is based on Dynamic Skip Fire, a technology developed by California company Tula Technology and the 6.2L engine incorporating it was named one of Ward's 10 Best Engines for 2019. In 2012 Volkswagen introduced Active Cylinder Technology (ACT), the first manufacturer to do so in four cylinder engines. In November 2016 Ford announced its compact three cylinder Ecoboost engine with deactivation on one of the cylinders. This is the smallest engine so far to use deactivation, and will allow the benefits to be applied in small cars. In November 2017, Mazda announced standard cylinder deactivation in all 2018 CX 5 models, and availability on Mazda6 models. As of the 2020 model year, about 15% of light duty vehicles sold in the United States used cylinder deactivation, predominantly used by Mazda (64%), GM (44%), Honda (24%), and FCA (23%).

Связанные технологии

Переменное соотношение сжатия. Наиболее известной такой системой был экспериментальный двигатель Saab с переменным сжатием, который использовал шарнирный блок для перемещения поршней ближе или дальше от головки блока цилиндров, тем самым изменяя объем камер сгорания. Другие экспериментальные системы включают двигатель Hefley, использующий скользящую шатунную шейку на эксцентричном валу, и двигатель Scalzo Piston Deactivation, использующий четырехрычажный механизм и обладающий уникальной способностью полностью останавливать отдельные поршни. В настоящее время ни один серийный автомобиль не использует ни одну из этих конструкций. Кроме того, в серии двигателей Cadillac Northstar была реализована система аварийного режима "доехать до дома". Если двигатель терял охлаждающую жидкость, блок управления двигателем отключал подачу топлива и зажигание на половину цилиндров. При сохранении работы клапанов, неработающие цилиндры охлаждали двигатель воздухом, позволяя проехать до 160 километров без охлаждающей жидкости.