Инженеры Toyota разработали способ применения цикла Аткинсона, используемого в тойотовских гибридах с 1997 года, для работы в двигателях обычных, не гибридных автомобилей. Цикл Аткинсона с высокой степенью сжатия – обычный способ, используемый в ДВС гибридов для повышения тепловой эффективности. Однако обратной стороной высокой степени сжатия является снижение крутящего момента, недостаток которого в гибридах компенсирует электромотор. Тепловая эффективность при малых нагрузках намного важнее для обычных ДВС, чем для ДВС, работающих в гибридных силовых установках. Похоже, что разработчикам Toyota удалось решить эту проблему.
Результатом их работы стал новый 1,3-литровый рядный четырехцилиндровый бензиновый двигатель ESTEC (Economy with Superior Thermal Efficient Combustion). На русский язык это определение можно перевести как «Экономия с высокоэффективным сгоранием». По заводской классификации мотор получил обозначение 1NR-FKE. Он развивает мощность 99 л.с. – это на 4 л.с. больше, чем мощность двигателя 1NR-FE, используемого в тойотовских автомобилях А и В-сегмента, таких как Yaris, iQ и др. Термический КПД ESTEC достигает 38% – это столько же, как и у ДВС, используемых в гибридах. Кроме того, при малых нагрузках ESTEC имеет улучшенную на 11% топливную экономичность.
Термический КПД современных моторов находится в пределах 36%, в то время как у ДВС, используемых в гибридах, он превышает 38%. Для достижения такого показателя в гибридных ДВС, кроме цикла Аткинсона, применяется охлаждаемая система EGR, электрический насос ОЖ и технологии низкого трения.В будущем такие же решения будут использоваться и в обычных ДВС, а термический КПД обоих типов двигателей превысит 40%. Считается также, что улучшение тепловой эффективности позволит преодолеть слабость атмосферных бензиновых ДВС при малых нагрузках. Превышение 40% уровня КПД будет достигаться, в основном, применением охлаждаемых EGR и развитием технологий сжигания бедных смесей. В дополнение к этим основным направлениям рассматриваются также технологии снижения трения и улучшение систем подъема клапанов.
Базовые компоненты ESTEC
Основными конструктивными особенностями ESTEC являются цикл Аткинсона, геометрическая степень сжатия 13,5:1 и система EGR с жидкостным охлаждением (обычный 1NR-FE имеет степень сжатия 11,5:1 и внутреннюю рециркуляцию выхлопных газов). Система бесступенчатого регулирования фаз VVT-iE с электроприводом является ключевым элементом в реализации цикла Аткинсона. Она позволяет быстро и с высокой точностью регулировать подъем впускных клапанов и избежать затруднений, возникающих из-за разницы температуры и давления масла при холодном пуске и на прогретом моторе.
В системе рециркуляции выхлопных газов используется эффективный охладитель и быстродействующий клапан. Кроме того, впускной трубопровод, охладитель и клапан непосредственно соединены между собой для уменьшения образования конденсата от охладителя.
Оптимизированная форма впускных каналов обеспечивает быстрое наполнение цилиндров, а создаваемое завихрение способствует улучшенному сгоранию смеси. Чтобы удовлетворить требованиям, как к производительности, так и к расходу топлива, выпускной коллектор выполнен по схеме 4-2-1. Это позволяет уменьшить количество остаточных газов в цилиндрах двигателя.
Восстановление производительности
Увеличение степени сжатия до 13,5:1 снизило крутящий момент со 104 Нм до 96 Нм. Чтобы восполнить эту потерю, Toyota применила выпускной коллектор измененной формы, уменьшающий количество остаточных газов и температуру в цилиндре; новую водяную рубашку, поддерживающую оптимальную температуру поверхности цилиндров; оптимизацию времени впрыска. Комбинация этих мер (из которых главную роль играет измененный выпускной коллектор) позволила повысить крутящий момент до 105 Нм.
При малых нагрузках из-за работы охлаждаемой EGR происходят чрезмерные колебания крутящего момента. Для устранения этого недостатка используются система регулирования выпускных клапанов (Exhaust VVT) и внутренняя рециркуляция выхлопных газов. При средних и больших нагрузках работа Exhaust VVT приостанавливается, а шаг клапана системы EGR увеличивается.
Охлаждение является эффективной мерой против снижения крутящего момента у двигателей с высокой степенью сжатия. Однако одновременно это приводит к увеличению расхода топлива из-за повышения трения и потерь на охлаждение. В обычных моторах верхняя часть цилиндра нагревается больше, чем нижняя. Из-за неравномерного нагрева увеличивается трение в цилиндре. В ESTEC новая водяная рубашка со специальной прокладкой выравнивает температуру в разных частях поверхности цилиндра, снижая потери на трение и возможность возникновения детонации.
Цикл Аткинсона
В двигателе, работающем по циклу Аткинсона, на такте впуска впускной клапан закрывается не вблизи НМТ, а значительно позже. Это дает целый ряд преимуществ.
Во-первых, снижаются насосные потери, т. к. часть смеси, когда поршень прошел НМТ и начал движение вверх, выталкивается назад во впускной коллектор (и используется затем в другом цилиндре), что снижает в нем разрежение. Горючая смесь, выталкиваемая из цилиндра, также уносит с собой часть тепла с его стенок.
Так как длительность такта сжатия по отношению к такту рабочего хода уменьшается, то двигатель работает, по так называемому, циклу с увеличенной степенью расширения, при котором энергия отработанных газов используется более длительное время, т. е., с уменьшением потерь выпуска. Таким образом,получаем лучшие экологические показатели, экономичность и больший КПД, но меньшую мощность.
