Первым в мире дизельным двигателем с четырьмя турбинами, а также инновационной системой с электроподъемным нагнетателем, стал уникальный агрегат, способный кардинально переосмыслить возможности внутреннего сгорания: раздел «Мотор» представляет подробный обзор самых необычных и передовых силовых установок, продемонстрированных в первые месяцы 2016 года.
© Пресс-службы производителей, S. Baldauf/SB-Medien
С этого же периода были представлены дизели с уникальной конструкцией для топ-модельных BMW, а также высокопроизводочные версии Audi Q7, компактные, но очень «умные» бензиновые двигатели от Volkswagen, «восьмерка» для новой Porsche Panamera и необычные проекты коллабораций вроде Koenigsegg с китайской компанией Qoros.
Что объединяет BMW серии 7 и суперкар Bugatti Veyron? Количество турбин в их моторах! В этом году баварский флагман обзавелся новым дизельным блоком: объемом три литра, шесть цилиндров и сразу четырьмя турбинами. Именно так, четыре! Это не только первый в истории серийный «тяжеловес» с таким количеством нагнетателей, но и мощнейшая дизельная «шестерка» в мире. Потенциал мотора — 400 лошадиных сил и 760 Нм крутящего момента — превосходит предшественника, у которого было три компрессора, на 19 сил и 20 Нм. В паре с восьмиступенчатым «автоматом» этот агрегат обеспечивает разгон до 100 км/ч за рекордные 4,6 секунды (длиннобазная версия — за 4,7 сек), что на 0,3 секунды быстрее предыдущей модели. Однако потенциал этого двигателя позволяет ожидать еще более впечатляющих характеристик.
Система многоуровнего наддува включает два малотурбоагрегата высокого давления, расположенных в едином блоке, а также два небольших компрессора низкого давления. Они работают последовательно: в момент резкого ускорения задействуется второй компрессор высокого давления, при этом его включение происходит только при оборотах выше 2500 мин-1. В результате этот мотор стал легче и более тяговитым: уже при 1000 оборотах в минуту доступны 450 Нм крутящего момента, а при диапазоне 2000-3000 мин-1 — достигается пиковый показатель в 760 Нм. Встроенная турбина низкого давления позволяет не только повысить отдачу двигателя, но и уменьшить расход топлива, увеличив его на 11 %, до 5,7–5,9 л на сотню километров.
На симпозиуме в Вене концерн Volkswagen представил новый 1,5-литровый турбированный четырехцилиндровый двигатель, который сменит существующий 1,4-литровый агрегат с турбонаддувом. Главное новшество — турбина с изменяемой геометрией крыльчатки, впервые в массовом сегменте применяемая в ходовых моделях с искровым зажиганием.
Хотя технология компрессоров с изменяемой геометрией применялась еще в конце 1980-х на моделях Peugeot, Citroen, Honda и Chrysler, теперь она находится в зоне массового применения только на спортивных и премиальных автомобилях, таких как Porsche 911 Turbo или модели 718 Cayman и Boxster. Ее преимущество — кольцо со специальными лепестками, способными менять угол наклона, что позволяет максимально быстро и точно регулировать мощность и отклик мотора, а также снижать расход топлива. В результате достигается оптимальное использование крутящего момента при меньших оборотах, а расширенный диапазон рабочих режимов обеспечивает более эффективную работу.
Первым серийным автомобилем с двигателем с турбиной с изменяемой геометрией стал небольшой хэтчбек Shelby CSX–VNT 1989 года.
Новинка объемом 1,5 литра будет доступна в двух вариантах мощности — 131 и 150 лошадиных сил. Максимальный крутящий момент в 200 Нм достигается уже при 1300 оборотах и сохраняется до 4500 вращений в минуту. Кроме того, новая «четверка» работает по циклу Миллера — вытесненному с увеличенной степенью сжатия (с 10,5:1 до 12,5:1). Внутри двигателя реализована система отключения двух цилиндров при низких нагрузках, повышен уровень впрыска топлива — до 350 бар, а также внедрены полностью новая головка блока и система электронного охлаждения.
После скандала «Дизельгейт» у Audi появилась новая 4,35-литровая V8 с тройным наддувом, представленная в «заряженном» внедорожнике SQ7. Эта силовая установка объединяет две турбины и электрическую компрессорную систему, впервые внедренную на серийном автомобиле. Электрический компрессор электроприводится мощным мотором мощностью около 9,5 л.с., который достигает скорости 70 000 об/мин всего за 0,25 секунды, мгновенно компенсируя турбояму. Электродвигатель питается от системы 48 В и литий-ионных батарей, размещенных под багажником авто.
Сам двигатель V8 объемом 4 литра — также новая разработка. Его турбокомпрессоры установлены в развале блока и работают по двухступенчатой схеме: при низких и средних оборотах включается одна турбина, а при повышенных нагрузках (2200–2700 мин-1) — активизируется второй компрессор. Электрический нагнетатель работает на начальной ступени, обеспечивая быстрый отклик и мощность.
В результате этот силовой агрегат выдает 435 лошадиных сил и 900 Нм крутящего момента, доступных при 1000–3250 об/мин. В паре с восьмиступенчатым «автоматом» он позволяет большой семиместной машине разгоняться до 100 км/ч всего за 4,8 секунды, а максимальная скорость ограничена электроникой на отметке 250 км/ч. В будущем такой мотор устанавливать планируют и на другие модели семейства Volkswagen, включая следующую Porsche Panamera и Cayenne, а также дизельные версии Bentley Bentayga.
Еще одним значительным двигателем, дебютирующим в Porsche Panamera Turbo и Cayenne Turbo нового поколения, станет 4-литровый твин-турбо V8 — замена устаревшей 4,8-литровой «турбо-восьмерки». Эта новая версия уменьшенного объема поможет снизить налоговые издержки в ряде рынков, таких как Китай, без потери мощности. В базовой комплектации двигатель способен развивать 550 л.с. и 770 Нм, что превышает параметры старого мотора на 30 сил и 70 Нм. В топовых версиях, таких как Panamera Turbo S и Cayenne Turbo S, показатель мощности может превысить 600 л.с., а крутящий момент — 810 Нм.
Этот двигатель отличается не только более высокой отдачей, но и значительно повышенной топливной экономичностью — с помощью системы деактивации шести цилиндров на малых нагрузках, которая действует в диапазоне 950–3500 мин-1. Кроме того, новый мотор объединен с совместимыми платформами — либо с передним и полным приводом (например, Audi A4, A5, A6 и их кроссоверные версии), либо с приводом на задние колеса для более крупных моделей Porsche и Bentley. Производство также планируется в модульных архитектурах MLB и MSB, что расширит его применение на новый поколенья Audi A6, A8 и Q7, а также на модели Bentley Bentayga и Continental. В перспективе ожидается и установка этого мотора в Lamborghini Urus, что может поставить его в один ряд с рекордсменами по скорости в классе серийных внедорожников.
Еще одно важное преимущество этого мотора состоит в его совместимости с гибридными установками и возможностью работы с новой восьмискоростной роботизированной трансмиссией PDK II, которая обещает улучшенные характеристики и снижение расхода топлива.
Шведская компания FreeValve, подконтрольная производителю Koenigsegg, уже более 15 лет занимается разработками революционной системы двигателя без распределительного вала. И сейчас, судя по всему, их идеи вскоре воплотятся в серийные автомобили.
Подробно о конструкции принципиально нового двигателя без распредвалов от компании FreeValve — далее. Эта технология полностью заменяет традиционные распределительные валы и дроссельные заслонки системой электронных актуаторов, управляемых пневмо- и гидравлическими приводами. Как утверждает глава Koenigsegg Кристиан фон Кенигсегг, подобная разработка позволит двигателю играть «любые мелодии» — то есть с невероятной точностью контролировать работу клапанов. По словам инженеров, при успешном внедрении новая система кардинально изменит подход к созиданию двигателей внутреннего сгорания, подобно тому, как в свое время произошел переход с карбюраторов на инжекторы.
На сегодняшний день все передовые разработки FreeValve нашли применение в прототипе двигателя QamFree, созданном китайско-израильской компанией Qoros. Эта фирма принадлежит объединению Israel Corporation и автоконцерну Chery. Планируется, что данный мотор перейдет в стадию серийного производства, и вскоре его смогут устанавливать на массовые автомобили бренда. Также существует вероятность того, что двигатель появится на моделях «бюджетного» суббренда Koenigsegg, о чем сам основатель компании Кенигсегг недавно намекнул.
Новая четырёхцилиндровая силовая установка, созданная на базе инженерных решений двигателей суперкаров Agera и Regera, способна развивать более 400 лошадиных сил мощности. Этот двигатель оснащен передовой управляющей электроникой и содержит множество дорогостоящих узлов и компонентов, что пока делает его недоступным по цене. Однако фон Кенигсегг убежден, что при организации массового производства стоимость таких моторов значительно снизится. Конечно, идея создания полностью безраспределительного двигателя всё ещё остаётся концепцией, но интеллект и опыт человека, стоящего у руля Rapidest в мире авто, а также финансовая поддержка его китайско-израильских партнеров, делают перспективу революционных изменений в конструкции ДВС всё более реальной.
Кроме того, стоит отметить, что современные двигатели становятся все более экологичными благодаря внедрению технологий, снижающих выбросы вредных веществ. Например, системы рециркуляции отработавших газов (EGR) и катализаторы, которые помогают уменьшить содержание оксидов азота и углеводородов в выхлопах. Это особенно важно в свете ужесточения экологических норм в разных странах.
Также, в последние годы наблюдается рост интереса к гибридным и электрическим двигателям, которые становятся все более популярными среди автопроизводителей. Это связано с необходимостью снижения зависимости от ископаемых видов топлива и стремлением к более устойчивому развитию. Многие компании уже представили свои концепты и серийные модели с гибридными установками, которые сочетают в себе преимущества как бензиновых, так и электрических двигателей.
Таким образом, будущее автомобильной индустрии, безусловно, связано с инновациями в области двигателей, которые будут не только мощными и эффективными, но и экологически чистыми.
Физические свойства различных агрегатных состояний
Жидкости характеризуются высокой подвижностью молекул и способностью принимать формы контейнера, в котором находятся. Их плотность варьируется в диапазоне от 0,8 до 1,5 г/см? при комнатной температуре, а вязкость достигает примерно 1-10 мПа·с, что влияет на скорость течения и капиллярные свойства. Теплопроводность воды составляет около 0,6 Вт/(м·К), что позволяет эффективно передавать тепло внутри жидкостей.
Твёрдое тело обладает относительно малой подвижностью структурных элементов, что придает ему высокую плотность – для металлических материалов она может достигать 8-20 г/см?. Ударная вязкость у них обычно превышает показатели жидкостей, однако хрупкость становится критичным фактором при низких температурах. Теплопроводность твердых веществ значительно варьируется: металлические образцы показывают значения в пределах 200 Вт/(м·К), в то время как у диэлектриков она редко превышает 10 Вт/(м·К).
Газы характеризуются минимальной плотностью, составной частью которой являются молекулы, движущиеся независимо. Плотность воздуха при стандартных условиях составляет около 1,2 кг/м?. Скорость звука в воздухе равна примерно 343 м/с, теплопроводность – около 0,025 Вт/(м·К). Температурные изменения заметно влияют на их обратную зависимость плотности и давления: увеличение температуры вызывает расширение объема и снижение плотности, а повышение давления усиливает сжимаемость.
Для оценки термических свойств важен показатель тепловой емкости: у жидкостей он достигает 4-5 Дж/(г·К), у твердых тел – 0,5-1 Дж/(г·К), у газов – около 1 Дж/(г·К). Это влияет на температурные режимы эксплуатации устройств, содержащих указанные материалы. В совокупности физические характеристики показывают значительные различия, определяющие характер использования и обработки веществ в различных технологических задачах. Например, высокая теплопроводность металлов делает их подходящими для теплообмена, тогда как низкая теплоемкость газов важна при проектировании систем вентиляции и отопления.
Переходы между агрегатными состояниями
Переходы между различными формами материи происходят в результате изменения температуры и давления. Эти процессы можно классифицировать на несколько основных типов:
- Сублимация: Переход вещества из твердой фазы в газообразную без промежуточного жидкого состояния. Примером является сублимация сухого льда.
- Конденсация: Обратный процесс сублимации, когда газ превращается в жидкость. Это происходит при снижении температуры или увеличении давления.
- Испарение: Переход жидкости в газ. Этот процесс происходит на поверхности жидкости и зависит от температуры и давления.
- Кристаллизация: Превращение жидкости в твердую форму. Это происходит при снижении температуры или увеличении концентрации растворенного вещества.
- Плавление: Процесс, при котором твердое вещество переходит в жидкость при нагревании. Например, плавление льда в воду.
- Затвердевание: Обратный процесс плавления, когда жидкость превращается в твердое тело при охлаждении.
Каждый из этих процессов имеет свои особенности и может быть описан с точки зрения термодинамики. Например, при плавлении и кристаллизации происходит изменение внутренней энергии системы, что можно проиллюстрировать с помощью диаграмм состояния.
Для практического применения понимания этих переходов важно учитывать условия, при которых они происходят. Например, в промышленности сублимация используется для сушки продуктов, а конденсация – в холодильных установках.
Изучение этих процессов позволяет не только лучше понять физические свойства веществ, но и оптимизировать технологии, связанные с их использованием.
Роль температуры и давления в изменении агрегатного состояния
Повышение температуры приводит к увеличению кинетической энергии молекул, что способствует разрыву межмолекулярных связей и плавлению вещества. Например, вода переходит из твердой формы в жидкую при 0°C при нормальном давлении, а при нагревании до 100°C начинается испарение.
Изменение давления оказывает влияние на точку перехода вещества между состояниями. Увеличение давления для жидкостей способствует их стабилизации, в то время как снижение давления ускоряет его парообразование. При повышении давления во время сжатия паров их концентрация увеличивается, что приводит к образованию насыщенного пара и, в дальнейшем, к его-condensation.
Температурные переходы сопровождаются резкими изменениями объемов и плотностей. Так, при переходе из жидкой фазы в газообразную происходит увеличение объема в 1000 раз для воды при стандартных условиях, что обусловлено разницей в молекулярной упаковке и кинетической энергией.
Практическое применение этих принципов видно в технологиях получения материалов: контроль температуры и давления обеспечивает получение определенных фаз или кристаллических структур. Например, при кристаллизации металлов часто используют нагрев и последующее быстрое охлаждение, чтобы закрепить желаемую структуру.
Совокупное влияние температуры и давления позволяет точно управлять переходами вещества, что критично в промышленных процессах, например, в паротурбинных энергетических установках или при синтезе новых соединений. При этом, знание точных условий перехода и критических точек помогает избегать нежелательных превращений и обеспечивает оптимальное качество продукции.
Примеры веществ в разных агрегатных состояниях
Твёрдое вещество, например, алмаз, сохраняет форму и объём при комнатной температуре и чистоте. Металлический железо также демонстрирует устойчивое твердое состояние при стационарных условиях, но при нагревании до 1538°C переходит в жидкость.
Газы представлены кислородом, который при стандартных условиях занимает широкий объём и легко сжижает при повышенном давлении или пониженой температуре. Например, жидкий кислород применяется в медицинских и аэрокосмических технологиях.
Кремний, обретающий вид кристаллического порошка, способен находиться в твердой или плазменной фазе при высоких температурах, соединяя свойства обоих состояний, что используют в производстве электроники и солнечных элементов.
Липиды и масла, такие как оливковое масло, при комнатной температуре находятся в жидком виде, однако при охлаждении до определённой температуры происходит застывание, превращая их в твердую массу. В этом процессе наблюдается явление кристаллизации.
