מהו קיצור?

בשנים האחרונות, האגן האירופי הפך להיות הפחות מכל מה שאדם ממוצע בא איתו במגע. זה חל בפרט על שכר ריאלי, טלפונים ניידים, מחשבים ניידים, עלויות חברה או גודל מנוע ופליטות. לרוע המזל, קיצוץ העובדים עדיין לא השפיע על ממשל ציבורי או ממשלתי כל כך רעוע. עם זאת, משמעות המילה "צמצום" בתעשיית הרכב אינה חדשה כפי שנדמה במבט ראשון. בסוף המאה הקודמת, מנועי דיזל גם הם הגבירו את הקיצוצים בשלב הראשון, שבזכות הטעינה והזרקה ישירה מודרנית שמרו או הפחיתו את נפחם, אך עם עלייה משמעותית בפרמטרים הדינמיים של המנוע.

העידן המודרני של מנועי הבנזין "המשחרים" החל עם הופעתה של יחידת ה-1,4 TSi. במבט ראשון זה כשלעצמו לא נראה כמו צמצום, מה שאושר גם בהכללתו בהיצע הגולף, לאון או אוקטביה. השינוי בפרספקטיבה לא קרה עד שסקודה החלה להרכיב את מנוע ה-1,4 TSi בנפח 90kW לדגם ה-Superb הגדול ביותר שלה. עם זאת, פריצת הדרך האמיתית הייתה התקנת מנוע ה-1,2 קילוואט 77 TSi במכוניות גדולות יחסית כמו האוקטביה, לאון ואפילו פולקסווגן קאדי. רק אז התחילו הופעות הפאב האמיתיות וכמו תמיד החכמות ביותר. ביטויים כמו: "לא נגרר, לא יחזיק מעמד זמן רב, אין תחליף לנפח, לתומן יש מנוע בד, שמעתם?" היו יותר משכיחים לא רק במחיר הרביעי של מכשירים, אלא גם בדיונים מקוונים. צמצום ההיקף מצריך מאמץ הגיוני מיצרני הרכב כדי להתמודד עם הלחץ המתמיד להפחית את הצריכה והפליטות השנואות ביותר. כמובן ששום דבר אינו בחינם, ואפילו צמצום לא מביא רק יתרונות. לכן, בשורות הבאות, נדון ביתר פירוט במה שנקרא צמצום, איך זה עובד ומה היתרונות או החסרונות שלו.

מהו קיצור וסיבות

צמצום פירושו הפחתת תזוזה של מנוע בעירה פנימית תוך שמירה על אותה הספק או אפילו גבוה יותר. במקביל לצמצום הנפח, הטעינה מתבצעת באמצעות מגדש טורבו או מדחס מכני, או שילוב של שתי השיטות (VW 1,4 TSi - 125 קילוואט). כמו גם הזרקת דלק ישירה, תזמון שסתומים משתנה, הרמת שסתומים וכו'. בעזרת טכנולוגיות נוספות אלו, יותר אוויר (חמצן) לבעירה נכנס לצילינדרים, וניתן להגדיל את כמות הדלק המסופקת באופן פרופורציונלי. כמובן, תערובת דחוסה כזו של אוויר ודלק מכילה יותר אנרגיה. הזרקה ישירה, בשילוב עם תזמון משתנה והרמת שסתומים, בתורם מייעלת את הזרקת הדלק והערבול, מה שמגביר עוד יותר את היעילות של תהליך הבעירה. באופן כללי, די בנפח צילינדר קטן יותר כדי לשחרר את אותה אנרגיה כמו מנועים גדולים יותר ובר השוואה מבלי להקטין.

כפי שכבר צוין בתחילת המאמר, הופעת ההפחתות נובעת בעיקר מהידוק החקיקה האירופית. לרוב מדובר בהפחתת פליטות, בעוד שהנראה ביותר הוא הדחף להפחתת פליטת CO בכל רחבי הלוח.₂... עם זאת, ברחבי העולם מחמירים בהדרגה את גבולות הפליטה. בהתאם לתקנה של הנציבות האירופית, יצרניות הרכב האירופיות התחייבו להשיג מגבלת פליטת CO 2015 גרם עד 130.₂ לק"מ, ערך זה מחושב כערך הממוצע לצי המכוניות שמוצאות לשוק במשך יותר משנה. מנועי בנזין ממלאים תפקיד ישיר בצמצום למרות שמבחינת היעילות הם נוטים יותר להפחית את הצריכה (כלומר גם CO₂) מאשר דיזל. עם זאת, הדבר מקשה לא רק על מחיר גבוה יותר, אלא גם על סילוק בעייתי ויקר יחסית של פליטות מזיקות בגזי פליטה, כגון תחמוצות חנקן - NO_x, פחמן חד חמצני - CO, פחמימנים - HC או פחמן שחור, שלצורך הסרתם נעשה שימוש במסנן DPF (FAP) יקר ועדיין בעייתי יחסית. לפיכך, דיזלים קטנים הופכים בהדרגה למורכבים יותר, ומכוניות קטנות מנוגנים עם כינורות קטנים יותר. כלי רכב היברידיים וחשמליים מתחרים גם הם בצמצום. למרות שהטכנולוגיה הזו מבטיחה, היא הרבה יותר מורכבת מצמצום פשוט יחסית, ובכל זאת יקרה מדי עבור האזרח הממוצע.

קצת תיאוריה

הצלחת ההקטנה תלויה בדינמיקת המנוע, צריכת הדלק ונוחות הנהיגה הכללית. הכוח והמומנט קודמים לכל. פרודוקטיביות היא עבודה שנעשתה לאורך זמן. העבודה המוצגת במהלך מחזור אחד של מנוע בעירה פנימית עם ניצוץ נקבעת על ידי מה שנקרא מחזור אוטו.

הציר האנכי הוא הלחץ מעל הבוכנה, והציר האופקי הוא נפח הגליל. העבודה ניתנת על ידי השטח התחום על ידי הקימורים. התרשים הזה הוא אידיאלי מכיוון שאיננו לוקחים בחשבון את חילופי החום עם הסביבה, את האינרציה של האוויר הנכנס לצילינדר, ואת ההפסדים הנגרמים מכניסה (לחץ שלילי קל בהשוואה ללחץ אטמוספרי) או פליטה (לחץ יתר קל). ועכשיו תיאור של הסיפור עצמו, המוצג בתרשים (V). בין נקודות 1-2 ממלאים את הבלון בתערובת - הנפח גדל. בין נקודות 2-3 מתרחשת דחיסה, הבוכנה פועלת ודוחסת את תערובת הדלק-אוויר. בין נקודות 3-4 מתרחשת בעירה, הנפח קבוע (הבוכנה נמצאת במרכז המת העליון), ותערובת הדלק נשרפת. האנרגיה הכימית של הדלק מומרת לחום. בין נקודות 4-5, התערובת השרופה של דלק ואוויר אכן עובדת - מתרחבת ומפעילה לחץ על הבוכנה. בפסקאות 5-6-1 מתרחשת הזרימה ההפוכה, כלומר האגזוז.

ככל שאנו שואבים יותר את תערובת הדלק-אוויר, כך משתחררת יותר אנרגיה כימית, והשטח מתחת לעקומה גדל. ניתן להשיג השפעה זו בכמה דרכים. האפשרות הראשונה היא להגדיל במידה מספקת את נפח הגליל, בהתאמה. המנוע כולו, שבאותם תנאים אנו משיגים יותר כוח - העקומה תגדל ימינה. דרכים אחרות להזיז את עליית העקומה כלפי מעלה הן, למשל, הגדלת יחס הדחיסה או הגדלת הכוח לעבודה לאורך זמן וביצוע מספר מחזורים קטנים יותר בו זמנית, כלומר הגדלת מהירות המנוע. לשתי השיטות המתוארות חסרונות רבים (הצתה עצמית, חוזק גבוה יותר של ראש הצילינדר והאטמים שלו, חיכוך מוגבר במהירויות גבוהות יותר - נתאר בהמשך, פליטות גבוהות יותר, הכוח על הבוכנה עדיין בערך זהה), בעוד שלמכונית יש רווח כוח גדול יחסית על הנייר, אבל המומנט לא משתנה הרבה. לאחרונה, למרות שהמאזדה היפנית הצליחה לייצר המוני מנוע בנזין עם יחס דחיסה גבוה במיוחד (14,0:1) בשם Skyactive-G, שמתהדר בפרמטרים דינמיים טובים מאוד עם צריכת דלק נוחה, עם זאת, רוב היצרנים עדיין משתמשים באפשרות אחת היא כדי להגדיל את נפח השטח מתחת לעקומה. וזאת על מנת לדחוס את האוויר לפני הכניסה לצילינדר תוך שמירה על נפח - הצפה.

ואז תרשים p (V) של מחזור אוטו נראה כך:

מכיוון שהטעינה 7-1 מתרחשת בלחץ שונה (גבוה יותר) משקע 5-6, נוצרת עקומה סגורה אחרת, מה שאומר שעבודה נוספת מתבצעת במכת הבוכנה הבלתי פעילה. ניתן להשתמש בזה אם המכשיר הדוחס את האוויר מופעל על ידי עודף אנרגיה, שבמקרה שלנו היא האנרגיה הקינטית של גזי הפליטה. מכשיר כזה הוא מגדש טורבו. נעשה שימוש גם במדחס מכני, אך יש צורך לקחת בחשבון אחוז מסוים (15-20%) שהוצא על פעולתו (לרוב הוא מונע על ידי גל הארכובה), ולכן חלק מהעקומה העליונה עובר לתחתון אחד ללא כל השפעה.

נבוא לזמן מה, בעודנו המומים. שאיפה של מנוע בנזין קיימת כבר זמן רב, אך המטרה העיקרית הייתה הגברת הביצועים, בעוד שהצריכה לא הוחלטה במיוחד. אז טורבינות גז גררו אותן לאורך חייהן, אבל הן אכלו גם דשא ליד הכביש, ולחצו על הגז. היו לכך מספר סיבות. ראשית, הפחיתו את יחס הדחיסה של מנועים אלה על מנת למנוע בעירה של נקישה. הייתה גם בעיה בקירור טורבו. בעומסים גבוהים היה צורך להעשיר את התערובת בדלק כדי לקרר את גזי הפליטה ובכך להגן על מגדש הטורבו מפני טמפרטורות גז גבוה. כדי להחמיר את המצב, האנרגיה שמספק מגדש הטורבו לאוויר הטעינה הולכת לאיבוד חלקית בעומס חלקי בשל בלימת זרימת האוויר בשסתום המצערת. למרבה המזל, הטכנולוגיה הנוכחית כבר עוזרת להפחית את צריכת הדלק גם כאשר המנוע מוגדש טורבו, וזו אחת הסיבות העיקריות לצמצום.

מעצבים של מנועי בנזין מודרניים מנסים לתת השראה לאותם מנועי דיזל הפועלים ביחס דחיסה גבוה יותר ובעומס חלקי, זרימת האוויר דרך סעפת היניקה אינה מוגבלת על ידי המצערת. הסכנה של דפיקה-דפיקה הנגרמת מיחס דחיסה גבוה, שיכול להרוס מנוע מהר מאוד, מתבטלת על ידי האלקטרוניקה המודרנית, השולטת בתזמון ההצתה בצורה הרבה יותר מדויקת ממה שהיה עד לאחרונה. יתרון גדול הוא גם השימוש בהזרקת דלק ישירה, בה בנזין מתנדף ישירות בצילינדר. לפיכך, תערובת הדלק מקוררת ביעילות, וגם מגבלת ההצתה העצמית מוגברת. יש להזכיר גם את המערכת הנפוצה כיום של תזמון שסתומים משתנה, המאפשרת לך להשפיע על יחס הדחיסה בפועל במידה מסוימת. מה שנקרא מחזור מילר (התכווצות והתרחבות ארוכה באופן לא אחיד). בנוסף לתזמון שסתומים משתנה, הרמה משתנה של שסתומים מסייעת גם בהפחתת הצריכה, מה שיכול להחליף את בקרת המצערת ובכך להפחית את הפסדי היניקה – על ידי האטת זרימת האוויר דרך המצערת (למשל Valvetronic מבית BMW).

טעינת יתר, שינוי תזמון השסתומים, הרמת שסתומים או יחס דחיסה אינם תרופת פלא, ולכן על המעצבים לשקול גורמים אחרים המשפיעים, בפרט, על הזרימה הסופית. אלה כוללים, במיוחד, הפחתת החיכוך, כמו גם הכנה ותבערה של תערובת התבערה עצמה.

מעצבים פועלים במשך עשרות שנים כדי להפחית את החיכוך של חלקי מנוע נעים. חייבים להודות שהם עשו צעדים גדולים בתחום החומרים והציפויים, שכיום הם בעלי תכונות החיכוך הטובות ביותר. אותו הדבר ניתן לומר על שמנים וחומרי סיכה. עיצוב המנוע עצמו לא הושאר ללא תשומת לב, שבו ממדי החלקים הנעים, המסבים עוברים אופטימיזציה, צורת טבעות הבוכנה וכמובן מספר הצילינדרים לא השתנו. ככל הנראה המנועים המוכרים ביותר עם מספר צילינדרים "נמוך יותר" כיום הם מנועי ה-EcoBoost שלושה צילינדרים של פורד מבית פורד או TwinAir שני צילינדרים מבית פיאט. פחות צילינדרים פירושם פחות בוכנות, מוטות חיבור, מיסבים או שסתומים, ולכן באופן הגיוני חיכוך מוחלט. בהחלט יש כמה מגבלות בתחום הזה. הראשון הוא החיכוך שנאגר על הצילינדר החסר, אך מקוזז במידה מסוימת על ידי חיכוך נוסף במיסבי גל האיזון. מגבלה נוספת קשורה למספר הצילינדרים או לתרבות ההפעלה, אשר משפיעים באופן משמעותי על בחירת קטגוריית הרכב בה יניע המנוע. כרגע לא יעלה על הדעת, למשל, ב.מ.וו, הידועה במנועיה המודרניים, צוידה במנוע דו-צילינדרי מזמזם. אבל מי יודע מה יקרה בעוד כמה שנים. מכיוון שהחיכוך גדל עם ריבוע המהירות, היצרנים לא רק מפחיתים את החיכוך עצמו, אלא גם מנסים לתכנן מנועים כדי לספק דינמיקה מספקת במהירויות הנמוכות ביותר האפשריות. מכיוון שתדלוק אטמוספרי של מנוע קטן אינו יכול להתמודד עם משימה זו, מגדש טורבו או מגדש טורבו בשילוב מדחס מכני שוב באים לעזרה. עם זאת, במקרה של הטענת על רק עם מגדש טורבו, זו משימה לא פשוטה. יש לציין כי למגדש הטורבו יש אינרציה משמעותית של סיבוב טורבינה, היוצרת את מה שנקרא טורבודיירה. טורבינת מגדש הטורבו מונעת על ידי גזי פליטה, אותם יש להפיק תחילה על ידי המנוע, כך שיש עיכוב מסוים מרגע לחיצה על דוושת התאוצה ועד לתחילת דחף המנוע הצפויה. כמובן שמערכות מגדשי טורבו מודרניות שונות מנסות לפצות פחות או יותר בהצלחה על מחלה זו, ושיפורי עיצוב חדשים במגדשי טורבו באים להצלה. אז מגדשי טורבו קטנים וקלים יותר, הם מגיבים מהר יותר ויותר במהירויות גבוהות יותר. נהגים בעלי אוריינטציה ספורטיבית, שחונכו על מנועים מהירים, מאשימים מנוע טורבו "מהיר איטי" כזה בתגובה ירודה. אין הדרגת כוח ככל שהמהירות עולה. אז המנוע מושך רגשית בסיבובים נמוכים, בינוניים וגבוהים, למרבה הצער ללא שיא הספק.

הרכב התערובת הדליקה עצמה לא עמד בצד. כידוע, מנוע בנזין שורף את מה שנקרא תערובת סטוכיומטרית הומוגנית של אוויר ודלק. משמעות הדבר היא שעבור 14,7 ק"ג דלק - בנזין יש 1 ק"ג אוויר. יחס זה מכונה גם למבדה = 1. ניתן לשרוף את התערובת האמורה של בנזין ואוויר גם ביחסים אחרים. אם אתה משתמש בכמות האוויר של 14,5 עד 22: 1, אז יש עודף גדול של אוויר - אנחנו מדברים על מה שנקרא תערובת רזה. אם היחס הפוך, כמות האוויר קטנה מהסטוכיומטרי וכמות הבנזין גדולה יותר (היחס בין אוויר לבנזין הוא בטווח של 14 עד 7:1), תערובת זו נקראת מה שנקרא. תערובת עשירה. יחסים אחרים מחוץ לטווח זה קשים להדלקה מכיוון שהם מדוללים מדי או מכילים מעט מדי אוויר. בכל מקרה, לשתי המגבלות יש השפעות הפוכות על ביצועים, צריכה ופליטות. מבחינת פליטות, במקרה של תערובת עשירה מתרחשת היווצרות משמעותית של CO ו-HC._x, ייצור NO_x נמוך יחסית בשל הטמפרטורות הנמוכות יותר בעת שריפת תערובת עשירה. מצד שני, ייצור ה- NO גבוה במיוחד עם בעירה של צריבה רזה._xבגלל טמפרטורת הבעירה הגבוהה יותר. אסור לשכוח את קצב השריפה, שהוא שונה עבור כל הרכב של התערובת. קצב השריפה הוא גורם חשוב מאוד, אך קשה לשלוט בו. קצב הבעירה של התערובת מושפע גם מהטמפרטורה, מידת המערבולת (שנשמרת על ידי מהירות המנוע), הלחות והרכב הדלק. כל אחד מהגורמים הללו מעורב בדרכים שונות, כאשר למערבולת ולרוויה של התערובת יש את ההשפעה הגדולה ביותר. תערובת עשירה נשרפת מהר יותר מתערובת רזה, אבל אם התערובת עשירה מדי, קצב השריפה מופחת מאוד. כאשר התערובת נדלקת, הבעירה איטית בהתחלה, עם עלייה בלחץ ובטמפרטורה, קצב הבעירה עולה, מה שמקל גם על ידי ערבוב מוגבר של התערובת. בעירה רזה תורמת לעלייה ביעילות הבעירה של עד 20%, בעוד שלפי היכולות הנוכחיות היא מקסימלית ביחס של כ- 16,7 עד 17,3: 1. מאחר וההומוגזציה של התערובת מתדרדרת במהלך הרזה מתמשכת, וכתוצאה מכך הפחתה משמעותית של קצב שריפה, הפחתת היעילות והפרודוקטיביות, יצרנים הגיעו עם מה שנקרא תערובת שכבות. כלומר, התערובת הבעירה מרובדת בחלל הבעירה, כך שהיחס סביב הנר הוא סטוכיומטרי, כלומר נדלק בקלות, ובשאר הסביבה, להיפך, הרכב התערובת הוא הרבה יותר גבוה. טכנולוגיה זו כבר בשימוש בפועל (TSi, JTS, BMW), למרבה הצער, עד כה רק עד מהירויות מסוימות או. במצב עומס קל. עם זאת, הפיתוח הוא צעד מהיר קדימה.

יתרונות ההפחתה

• מנוע כזה אינו רק נפחו קטן יותר אלא גם בגודלו, כך שניתן לייצר אותו עם פחות חומרי גלם ופחות צריכת אנרגיה.
• מכיוון שמנועים משתמשים בחומרי גלם דומים, אם לא באותם, המנוע יהיה קל יותר בשל גודלו הקטן יותר. מבנה הרכב כולו יכול להיות פחות חזק ולכן קל וזול יותר. עם המנוע הקל הקיים, פחות עומס סרן. במקרה זה, גם ביצועי הנהיגה משתפרים, מכיוון שהם אינם מושפעים כל כך ממנוע כבד.
• מנוע כזה קטן וחזק יותר, ולכן לא יהיה קשה לבנות מכונית קטנה וחזקה, שלפעמים לא עבדה בשל גודל המנוע המוגבל.
• המנוע הקטן יותר גם בעל מסה אינרציאלית פחותה, כך שהוא אינו צורך יותר מדי כוח לנוע במהלך שינויי הספק כמו המנוע הגדול יותר.

חסרונות של צמצום

• מנוע כזה נתון למתח תרמי ומכני גבוה משמעותית.
• למרות שהמנוע קל יותר בנפחו ובמשקלו, בשל נוכחותם של חלקים נוספים נוספים כגון מגדש טורבו, intercooler או הזרקת בנזין בלחץ גבוה, משקלו הכולל של המנוע עולה, עלות המנוע עולה, והערכה כולה דורשת תחזוקה מוגברת. והסיכון לכישלון גבוה יותר, במיוחד עבור מגדש טורבו הנתון ללחץ תרמי ומכני גבוה.
• חלק ממערכות העזר צורכות אנרגיה במנוע (למשל משאבת בוכנה בהזרקה ישירה למנועי TSI).
• העיצוב והייצור של מנוע כזה הרבה יותר קשה ומורכב מאשר במקרה של מנוע מלא באטמוספירה.
• הצריכה הסופית עדיין תלויה במידה רבה בסגנון הנהיגה.
• חיכוך פנימי. זכור כי חיכוך המנוע תלוי במהירות. זה זניח יחסית למשאבת מים או אלטרנטור שבה החיכוך גדל באופן לינארי עם המהירות. עם זאת, החיכוך של המצלמות או טבעות הבוכנה עולה ביחס לשורש הריבועי, מה שעלול לגרום למנוע קטן במהירות גבוהה להפגין חיכוך פנימי גבוה יותר מאשר נפח גדול יותר הפועל במהירויות נמוכות יותר. עם זאת, כפי שכבר צוין, הרבה תלוי בעיצוב וביצועי המנוע.

אז האם יש עתיד לצמצום עובדים? למרות כמה חסרונות, אני חושב שכן. מנועים בעלי שאיפה טבעית אינם נעלמים מיד, אך ורק בגלל חיסכון בייצור, התקדמות טכנולוגית (מאזדה סקייאקטיב-G), נוסטלגיה או הרגל. למי שאינו מפלגתי שאינו סומך על כוחו של מנוע קטן, אני ממליץ להעמיס מכונית כזו עם ארבעה אנשים שניזונים היטב, ואז להסתכל במעלה הגבעה, לעקוף ולבדוק. אמינות נותרה סוגיה מורכבת הרבה יותר. יש פתרון לרוכשי כרטיסים, גם אם זה לוקח יותר זמן מנסיעת מבחן. המתן כמה שנים עד שהמנוע יופיע ואז תחליט. אולם באופן כללי ניתן לסכם את הסיכונים כדלקמן. בהשוואה למנוע בעל עוצמה טבעית בעלת אותו הספק, מנוע הטורבו הקטן יותר עמוס הרבה יותר בלחץ צילינדר כמו גם בטמפרטורה. לכן, למנועים כאלה יש מיסבים טעונים באופן משמעותי יותר, גל ארכובה, ראש גליל, מתג וכו '. עם זאת, הסיכון לכישלון לפני תום חיי השירות המתוכנן הוא נמוך יחסית, שכן היצרנים מתכננים מנועים לעומס זה. עם זאת, יהיו שגיאות, אני מציין, למשל, בעיות בדילוג שרשרת התזמון במנועי TSi. אולם באופן כללי ניתן לומר כי תוחלת החיים של מנועים אלה ככל הנראה לא תהיה ארוכה כמו במקרה של מנועים בעלי שאיבה טבעית. זה חל בעיקר על מכוניות עם קילומטראז 'גבוה. יש להקדיש תשומת לב מוגברת גם לצריכה. בהשוואה למנועי בנזין ישנים יותר, מגדשי הטורבו המודרניים יכולים לפעול בצורה כלכלית משמעותית יותר, בעוד שהטובים שבהם מתאימים לצריכת טורבו דיזל חזק יחסית בפעולה חסכונית. החיסרון הוא התלות ההולכת וגדלה בסגנון הנהיגה של הנהג, כך שאם אתה רוצה לנהוג כלכלית, עליך להיזהר עם דוושת הגז. עם זאת, בהשוואה למנועי דיזל, מנועי בנזין עם טורבו מפצים על החיסרון הזה עם עידון טוב יותר, רמות רעש נמוכות יותר, טווח מהירות שמיש יותר, או היעדר ה- DPF המבוקר מאוד.