Технология отключения цилиндров: укладываем спать половину двигателя

Двигатель, гонящийся за ненужной мощностью, сжигает топливо впустую; отключение цилиндров экономит топливо именно за счёт «усыпления» этой избыточной мощности.
Двигатель, гонящийся за ненужной мощностью, сжигает топливо впустую; отключение цилиндров экономит топливо именно за счёт «усыпления» этой избыточной мощности.

Поделиться этой страницей

Отключение цилиндров - это технология повышения эффективности, которая в моменты, когда двигателю не требуется полная мощность, отключает определённые цилиндры, закрывая их клапаны, и позволяет двигателю фактически работать с меньшим рабочим объёмом. На холостом ходу, при движении по трассе или при лёгком нажатии на газ в неиспользуемые цилиндры топливо не впрыскивается; таким образом, двигатель не расходует топливо на производство ненужной мощности. В современных реализациях этот переход настолько плавный, что большинство водителей его не заметит, и в зависимости от условий он обеспечивает измеримое улучшение расхода топлива.

Ключевые моменты

  • Отключение цилиндров, как правило, отключает половину двигателя: V8 переходит на четыре цилиндра, четырёхцилиндровый двигатель - на два.
  • По оценке Министерства энергетики США, улучшение топливной экономичности составляет около 7,5%; в условиях трассы снижение может быть в диапазоне 8-25%.
  • В отключённых цилиндрах возникает эффект воздушной пружины; сжатые выхлопные газы не создают чистой нагрузки на двигатель.
  • С момента эксперимента Cadillac V8-6-4 1981 года технология созрела вместе с электронным управлением.
  • Официальные отзывные кампании (Mercedes, Mazda) показывают, что при неисправности системы последствия могут быть серьёзными.

Как работает технология отключения цилиндров?

Şehir içinde giden bir aracın gücüne aslında yarım motor yeter; kalan silindirler vanaları kapalı olarak boşuna yakıt yakmaz.

Базовая логика проста: многоцилиндровому двигателю полностью, чаще всего, нужна лишь часть его мощности. Чтобы поддерживать движение автомобиля с постоянной скоростью по ровной дороге, четырёх или шести цилиндров вполне достаточно. Именно в этот момент вступают в действие системы отключения цилиндров: удерживая клапаны некоторых цилиндров закрытыми, они прекращают впрыск топлива в эти цилиндры. Когда клапаны закрыты, соответствующий цилиндр исключается из цикла зажигания; и двигатель работает так, будто имеет меньший рабочий объём.

А что делает поршень внутри цилиндра с закрытыми клапанами? Выхлопные газы оказываются заперты в камере сгорания: при движении поршня вверх они сжимаются, при движении вниз - вновь расширяются. Этот эффект «воздушной пружины» уравновешивает силы в обоих направлениях; отключённый цилиндр не создаёт чистой нагрузки на двигатель. Иными словами, отключённые цилиндры вместо торможения двигателя тихо считаются находящимися в отпуске.

Решение принимает блок управления двигателем (ECU). Постоянно отслеживая данные датчиков, такие как скорость, нагрузка на двигатель и положение дроссельной заслонки, ECU отключает цилиндры в условиях низкой нагрузки; когда водитель нажимает на газ, система в течение миллисекунд вновь запускает все цилиндры. В бензиновых двигателях цель - снизить потери на газообмен: при лёгкой нагрузке дроссельная заслонка почти закрыта, и двигатель тратит лишнюю работу на забор воздуха. Когда работает меньше цилиндров, каждый цилиндр работает интенсивнее, дроссельная заслонка открывается шире, и двигатель работает в более эффективной зоне.

В дизельных двигателях цель иная

В дизельных двигателях главная мотивация отключения цилиндров - нагрев выхлопных газов. Дизелям при низкой нагрузке трудно поднять температуру выхлопных газов до нужного уровня; а когда оставшиеся цилиндры работают под более высокой нагрузкой, выделяется больше тепла. Это тепло быстрее выводит систему очистки выхлопных газов на рабочую температуру и снижает выбросы. В коммерческом транспорте переход с 6 цилиндров на 4 может дать улучшение расхода на холостом ходу до 14-18%.

При каких условиях какие цилиндры отключаются?

Большинство систем отключает половину цилиндров одновременно: Мотор V8 переходит на четыре цилиндра, V6 - на три, а четырёхцилиндровый - на два. Цель состоит в том, чтобы сохранить равномерность интервалов зажигания, не нарушая балансировки двигателя; поэтому выбираются сбалансированные пары, а не неравномерное распределение. Тем не менее подходы у производителей неодинаковы.

Даже ранние примеры демонстрируют это разнообразие. Mitsubishi MD (1982) на скоростях ниже 70 км/ч, на холостом ходу и при замедлении отключал цилиндры 1 и 4; расход улучшился примерно на 20%, но двигатель в двухцилиндровом режиме работал с тряской. Система VCM от Honda (с 2003 года) может переключаться между шестью, четырьмя и тремя цилиндрами, отключая банки цилиндров. Ещё интереснее Dynamic Fuel Management, представленная GM в 2018 году: Эта система, основанная на подходе "Dynamic Skip Fire" компании Tula Technology, может по мере необходимости отключать любое количество цилиндров в различных комбинациях - то есть все цилиндры в порядке зажигания могут пропускаться по одному.

Mazda же в своём атмосферном моторе объёмом 2,5 литра предпочла, чтобы средние цилиндры продолжали работать: при небольшой нагрузке отключаются цилиндры 1 и 4, а 2 и 3 продолжают работать.

Замечает ли это водитель? Инженерия вибраций и NVH

Ответ на этот вопрос сильно менялся в зависимости от истории развития технологии. В системах первых поколений заметить переключение было нетрудно, даже легко. Cadillac V8-6-4 (1981) вызывал при переключениях резкость и запаздывание; несмотря на 13 обновлений ПО, система была снята уже после одного модельного года, а в автомобилях предыдущего года выпуска её навсегда отключили. Первой системе MD от Mitsubishi также пришлось бороться с тряской двухцилиндрового режима: были приняты такие меры, как специальные моторные опоры с гидравлическим демпфированием, гибкий участок выпускной трубы, маховик на 70% тяжелее, а также запрет на включение системы, пока температура охлаждающей жидкости не достигнет 70°C.

Второе поколение системы Mitsubishi MIVEC-MD 1993 года благодаря усовершенствованному электронному управлению сделало переход с 4 на 2 цилиндра практически незаметным - именно на этом этапе сформировались предки современных систем. В современных системах переключения происходят практически мгновенно и сглаживаются корректировками угла опережения зажигания, фаз газораспределения и электронной дроссельной заслонки. А вот в моторах V6 из-за порядка зажигания и изменений крутящего момента серьёзные трудности с NVH (шум, вибрация, жёсткость) сохраняются, поэтому эти конфигурации относятся к самым амбициозным с инженерной точки зрения.

Как отключаются клапаны?

Механизм зависит от схемы привода клапанов двигателя:

  • Моторы с толкателями (pushrod): Соленоиды изменяют давление масла, подаваемое к фиксирующим штифтам в гидрокомпенсаторах; когда шток выходит, толкатель складывается, и клапан остаётся закрытым.
  • Двигатели с верхним распредвалом (OHC): для каждого клапана используется пара шарнирно соединённых коромысел; когда управляемый соленоидом масляный режим разблокирует стопорный штифт, одно коромысло следит за кулачком, а другое остаётся неподвижным.
  • Решение Mazda: переключатель, добавленный к гидравлическим компенсаторам, меняет точку опоры коромысла, прекращая движение клапана.

Какой реальный выигрыш в расходе топлива?

Цифры варьируются в широком диапазоне в зависимости от реализации и условий. По оценке Министерства энергетики США, улучшение топливной экономичности составляет около 7,5%; производители же заявляют о повышении эффективности до 20%. Указывается, что на трассе снижение расхода может составлять от 8% до 25%. Для дизелей с применением CDA и раннего закрытия выпускного клапана целевое снижение расхода составляет от 5% до 25%.

Реальные тесты могут давать более скромные результаты. На тяжёлом дизельном транспорте в стандартных топливных тестах была измерена экономия 2,76%, а на одном маршруте доставки - 2%; переменный трафик, нагрузка и климатические условия при повседневной езде затрудняют достижение верхней границы лабораторного диапазона. Исторические заявления рисуют схожую картину: Cadillac V8-6-4 обещал улучшение до 15%; Alfa Romeo Alfetta CEM (1983) показал снижение расхода на 12% по сравнению с версией без изменения объёма и почти на 25% по сравнению с карбюраторной. Короче говоря: выигрыш реален, но его величина полностью зависит от того, сколько времени вы можете ехать с отключёнными цилиндрами - водитель, часто ускоряющийся и тормозящий в плотном городском трафике, получит гораздо меньше пользы, чем тот, кто едет по трассе с постоянной скоростью.

Различия в применении на атмосферных и турбомоторах

Отключение цилиндров в каком-то смысле предлагает альтернативный подход к турбомоторам малого объёма: оба стремятся к цели «мощный, когда нужно, эффективный, когда не нужно». Турбо-подход изначально использует небольшой двигатель; отключение цилиндров берёт изначально мощный двигатель и фактически уменьшает его при малой нагрузке. Хотя у обоих есть свои плюсы и минусы, технология отключения предлагает другую точку равновесия, не затрагивая присущие турбонаддуву проблемы задержки и отклика.

Масштаб применения также вырос до удивительных размеров. Представленный в 2016 году трёхцилиндровый Ford EcoBoost с одним отключаемым цилиндром - наименьший известный двигатель с этой технологией. А Mazda Skyactiv-G 2.5 с 2018 года стал одним из примеров отключения цилиндров на атмосферном моторе. Для дизелей показано, что отключение может применяться при низкой нагрузке без ущерба для крутящего момента и мощности, и негативного влияния на отклик двигателя не обнаружено.

Конкретный масштаб распространённости технологии: в 2020 модельном году примерно у 15% лёгких коммерческих автомобилей, проданных в США, было отключение цилиндров; большинство из них были продукцией Mazda, GM, Honda и FCA.

Долговременная надёжность: действительно ли система изнашивает двигатель?

Самым честным подходом под этим заголовком будет нарисовать таблицу с двумя колонками. С одной стороны, стабильная работа всех цилиндров делает существование системы для большинства пользователей несущественным; с другой стороны, сама система вместе с дополнительными механизмами привносит новые точки отказа.

Что говорят официальные отзывные кампании?

Два крупных примера показывают возможные режимы отказа системы. Mercedes отозвал 26 200 седанов S580 и Maybach моделей 2021-2023 годов: при отказе системы Camtronic существовал риск того, что форсунки будут впрыскивать слишком много топлива и повредят каталитический нейтрализатор, а в худшем случае - риск заглохшего двигателя. Mazda же отозвала 262 000 автомобилей, включая CX-5, Mazda 6 и Mazda 3; сбой при переходе из режима отключения в полный открытие мог остановить автомобиль и сделать невозможным его повторный запуск.

Жалобы пользователей и реальность обслуживания

Проблемы, о которых сообщают с мест, встречаются чаще, но уровень их подтверждённости ниже. Для систем AFM GM частой жалобой является обрыв гидрокомпенсаторов; утверждается, что при несвоевременном обнаружении это может привести к изгибу штанги толкателя, а стоимость ремонта может достигать тысяч долларов. Среди других заявленных проблем - повышенный расход масла, нагарообразование и вибрация в момент переключения: некоторые владельцы Mazda CX-30 сообщают, что замечали резкий переход между режимами 2 и 4 цилиндров по звуку и ощущениям. Поскольку это форумные, единичные пользовательские впечатления, обобщать их на каждый автомобиль было бы вводящим в заблуждение.

В части обслуживания есть несколько практических моментов, которые стоит знать. В некоторых системах компьютер в качестве меры безопасности не задействует отключение цилиндров, если обслуживание автомобиля просрочено - то есть система в порядке, а решающим фактором может быть состояние обслуживания. Отключение системы программным путём - решение с обоюдоострым характером: хотя риск отказа гидрокомпенсаторов как будто исчезает, то обстоятельство, что все цилиндры проходят каждый цикл зажигания, теоретически может сократить срок службы деталей. Самый разумный подход - принять систему как есть, не пропускать периодическое обслуживание и регулярно проверять уровень масла; механизмы, работающие на основе гидрокомпенсаторов и давления масла, входят в число деталей, наиболее страдающих от грязного или недостаточного масла.

Вывод: Зрелая форма умной идеи

Отключение цилиндров - продукт долгой истории созревания, простирающейся от «hit-and-miss» двигателей конца 19 века через ужасный опыт Cadillac 1981 года к сегодняшним системам, незаметно работающим на миллионах автомобилей. Его базовая логика - не производить ненужную мощность - безупречна; всё остальное было инженерной деталью, делающей переход незаметным, и современное электронное управление в значительной степени преодолело это препятствие. Реальный выигрыш зависит от условий: заметен в магистральном режиме, скромен в городе. Дискуссия о надёжности же полностью обоснована, но читать её следует без крайностей: официальные отзывы, хоть и были серьёзными, были устранены, и сегодня технология живёт как стандартное решение в широком спектре автомобилей.

Источники