Vidaus degimo variklių darbinio tūrio bei taršos mažinimo tendencija. Kas laukia artimiausioje ateityje?

 

Turbūt neverta jūsų klausti, ar pastebėjote, kad transporto priemonių variklių darbinis tūris visą laiką stabiliai mažėja – tai geriausiai matoma stebint paskutinio dešimtmečio tendencijas. Po 2000 metų, palengva populiarėjant varikliams su turbokompresoriais, leidžiančiais padidinti variklio naudingumo koeficientą, tuo pačiu metu sumažinant kuro sąnaudas bei variklių taršą, gamintojams atsirado galimybė tas pačias charakteristikas pasiekti su mažesnio darbinio tūrio varikliais. 

Mažesni, taupesni ir lengvesni varikliai padėjo įvykdyti savanorišką automobilių gamintojų įsipareigojimą Europos Sąjungai iki 2008 m. į aplinką išmetamo anglies dvideginio kiekį sumažinti iki 140 g/km. 2003 m. šis rodiklis siekė 163 CO2 g/km. Pažymėtina, kad vidaus degimo varikliuose į aplinką išmetamo anglies dvideginio kiekis yra tiesiogiai proporcingas kuro sąnaudoms.

Turbokompresorius (turbina) – tai iš esmės variklio išmetamosiomis dujomis varomas siurblys, į degimo procesą paduodantis papildomą oro kiekį, taip leisdamas padidinti variklio galingumą – juk bet kokį kuro kiekį reikia sumaišyti su atitinkamu oro kiekiu.
Pagrindinis turbinos privalumas yra tai, kad jos pagalba galima padidinti mažų variklių galią, dėl to vietoj didesnių įprastinių variklių gamintojams atsiranda galimybė naudoti mažesnio darbinio tūrio turbininius agregatus. Be to, naudojant turbokompresorių, ženkliai sumažėja CO2 tarša. Tai buvo pagrindinė priežastis, dėl kurios 2000-2010 metais itin stipriai išaugo automobilių gamintojų susidomėjimas ne tik turbodyzelinių, bet ir benzininių variklių aprūpinimas turbokompresoriais.

Turbokompresorius nuo gilių 1990-ųjų jau turėjo beveik visi Europoje parduodami dyzeliniai automobiliai, tuo tarpu tarp benzininių agregatų 2005 metais turbininiai varikliai užėmė tik 8-10% rinkos. 2010 metais  – bemaž 30%. Šiai dienai benzininių variklių neturinčių turbinos praktiškai nebeliko, nekalbant apie dyzelinius, kurie iš esmės visi yra “paturbinti” jau daugelį metų.

 

Turbokompresorių aukso amžius. Kas nutiko, kad varikliai staiga taip “susitraukė”?

 

Nesustabdomą variklių darbinio tūrio sumažėjimą iš esmės nulėmė dvi priežastys:

  • sėkmingas turbokompresorių panaudojimas, sumažinant kuro sąnaudas bei taršą
  • augantis ES ir pasaulinių taršos kontrolės institucijų spaudimas gamintojams, sėkmingai “išlaikiusiems” variklių modernizavimo testą

 

Mažo darbinio tūrio, didelio galingumo, taupesni ir draugiškesni aplinkai varikliai nežadėjo didelio patikimumo dėl didelių jiems tenkančių apkrovų, tačiau tapo bene vienintele išeitimi pirkėjų bei taršos prievaizdų akivaizdoje: pasiūlyti tą patį arba didesnį galingumą, sumažinant variklių svorį, kuro sąnaudas bei mažiau teršiant aplinką. 

Tobulinant turbokompresorius ir variklius, o kalbant techniniais terminais – didinant apkrovas, kuro bei turbokompresoriaus slėgį, tobulinant kuro įpurškimo tikslumą bei tūkstančių procesų per sekundę skaičiavimo efektyvumą, atsirado galimybė mažus variklius paversti tokiais pat galingais, kokie seniau buvo tik didieji varikliai.
Keletas ryškesnių pavyzdžių:

  • Formulės-1 variklių darbinio tūrio istorija – trumpai: 2000 m. – 3.0L V12, 2006 m. – 2.4L V8, 2014 m. – 1.6L Turbo V6
  • Modernus 2.0 L darbinio tūrio turbo benzininis variklis galingumu prilygsta 3-4L  darbinio tūrio varikliui be turbinos
  • 2005 m. galingiausias benzininis “liaudies automobilis” VW Passat turėjo 3.6L FSI atmosferinį variklį, turintį 220kW / 350Nm
    2012 m. pristatomas turbininis VW Golf R, turintis 2.0L TFSI variklį, generuojantį 228kW / 380Nm (vien modifikavus variklio valdymo programą nesunkiai pasiekiama 265kW / 480Nm
  • BMW 3.0L tubodyzelinių variklių chronologija:
    1998 m.: 30d 135kW / 390Nm. Vienas turbokompresorius. Kuro slėgis: iki 1600 bar. Turbinos slėgis – iki 1.1-1.15 bar
    2010 m.: 40d modelis, du turbokompresoriai. 225kW / 600Nm. Kuro slėgis: iki 2000 bar. Turbinų slėgis – iki 1.95-2.1 bar
    2013 m.: M50d, trys turbokompresoriai. Įspūdingi 280kW / 740 Nm. Kuro slėgis: iki 2200 bar. Turbinų slėgis – iki 2.6-2.8 bar
  • 2012 – 2015 m. Ford pristato 1.0L 3 cilindrų Ecoboost, Volkswagen – 1.0L TSI, Renault-Nissan – 0.9 TCe benzininius variklius, atiduodami duoklę ekonomiškų, dinamiškų benzininių miesto variklių rinkos plėtrai. Daugelis kitų gamintojų taip pat pristato savo naujus, ~1L darbinio tūrio variklius.

 

Mažo darbinio tūrio variklių problema. Praktika.

 

“Volvo” inžinierius Michaelas Fleissas (Michael Fleiss): “ateina mada negaminti didelių variklių” (2014)
“Volkswagen” vadovas Herbertas Dysas (Herbert Diess): “variklių mažinimo era baigiasi” (2017)
Kuriuo vadovu tikėti – spręsti jums, tačiau dar 2016 metais dyzelinis Volvo S90 su 4 cilindrų 2.0 D4 varikliu kuro sąnaudomis nusileido Audi A4 3.0 TDI šešių cilindrų varikliui. 

Pagrindinis mažų ir sąlyginai galingų variklių pristatymo rinkai tikslas buvo maksimaliai sumažinti kuro sąnaudas bei taršą, išlaikant pakankamą galingumą. Ir išties – skaičiai variklių testavimo laboratorijose (idealiomis sąlygomis) buvo gana patrauklūs, jei neatsižvelgti į stipriai apkraunamų mažalitražių variklių patvarumo klausimą.

Laboratorinis variklių testavimo standartas – NEDC (New European Driving Cycle) buvo sukurtas dar 1980 metais. Deja, laboratorijose atliekamų testų rezultatai dažnai skiriasi nuo bandymų realiomis sąlygomis: tai įrodė iš esmės garsiojo Dyzelgeito skandalo “įkvėptas” WLTP (Worldwide Harmonised Light Vehicle Test Procedure) – naujasis automobilių taršos ir kuro sąnaudų matavimo standartas, įsigaliojęs 2017 m. Ką jis parodė?

  • daugelis variklių pagal naująjį WLTP standartą atliktų testų metu parodė gerokai blogesnius kuro sąnaudų ir taršos rezultatus, lyginant su “laboratoriniu” standartu
  • blogiausius CO2 (anglies dioksido) emisijų rezultatus, lyginant su deklaruojamais, parodė būtent mažieji varikliai, realiomis sąlygomis dirbantys gerokai didesnėmis apkrovomis, nei didesnio darbinio tūrio varikliai, lengviau “susitvarkantys” su užduotimis. Aukštos temperatūros, susidarančios intensyvaus degimo proceso metu, stipriai neigiamai paveikė taršos rezultatus
  • mažieji varikliai, nors ir mažiau teršia aplinką ir dirbdami lengvomis (idealiomis) sąlygomis yra ekonomiški, kenčia gerokai didesnes temperatūrines bei mechanines apkrovas, stipriai įtakojančias jų konstrukcijos ilgaamžiškumą
  • WLTP standarto pasekmės palietė ne tik mažuosius variklius: gamintojams teko pakeisti kai kurių variklių programinę valdymo įrangą taip, kad “tilpti” į naujuosius reikalavimus. Rezultate – nukentėjo variklių dinaminės savybės. Puikus pavyzdys – “vėluojantys” naujieji Audi 2.0 / 3.0 TDI varikliai. Pavyzdžių yra ir daugiau.

 

Variklių mažinimo riba pasiekta. Kas laukia toliau?

 

Automobilių gamintojai, ištisą paskutinį dešimtmetį mažinę variklių tūrį, ieškodami kompromiso su ekologija, dabar atsidūrė ties kelio ženklu, žyminčiu apsisukimą: realių testų metu mažieji varikliai savęs nepateisino, ir parodė savo trūkumus su kaupu.

Renault (Nissan), General Motors (Opel ir kt.), Volkswagen (Audi, Skoda, Seat) jau kuris laikas palaipsniui atsisako mažiausių savo variklių, ir koncentruojasi ties labiau pasiteisinusių didesnių dyzelinių bei benzininių variklių tobulinimu. Jų pavyzdžiu seka vis daugiau gamintojų – patirties daugiau nei gana.
Tiesa, laukia kiti iššūkiai – gamintojams tenka sukti galvą, kaip didesniuose varikliuose sumažinti anglies dioksido (CO2) kiekį, o tuo tarpu didžiuliai biudžetai jau yra panaudoti elektrinių ir hibridinių jėgainių kūrimui bei tobulinimui.

 

Technologijos, kurias naudojome variklių darbinio tūrio mažinimui, nebeleis mums atitikti ateities taršos reikalavimų. Mes priartėjome prie variklių mažinimo ribos” – teigė Alenas Raposo (Alain Raposo), Renault – Nissan grupės variklių padalinio vadovas.

 

Metų metus gamintojai trumparegiškai taikėsi prie Europos Sąjungos CO2 taršos reikalavimų, mažindami variklių darbinį tūrį, tuo pačiu pridėdami turbokompresorius prarastam galingumui kompensuoti. Trijų cilindrų, 1L tūrio nesiekiantys varikliai “Golf” klasės automobiliuose tapo normaliu reiškiniu. Kai kurie Fiat varikliai tuo tarpu turi viso labo du cilindrus.
Visi šie mini-varikliai tyliai “praslydo” per laboratorinius testus – tikrovės neatitinkančių bandymų metu, vietoje kelių naudojant riedėjimo stendus, esant pernelyg palankioms temperatūroms bei greičiams, po WLTP “naujovių” jiems paprasčiausiai nebeliko šansų: realiomis sąlygomis mažuosiuose varikliuose dėl didelio realiomis sąlygomis deginamo kuro kiekio ir tenkančių apkrovų, azoto oksidų bei kitu teršalų emisija viršijama nuo keliolikos iki keliasdešimt kartų. 

Apie realybėje gerokai didesnius anglies dioksido (CO2) ir azoto oksidų (NOx) taršos parametrus gerai žinojo tiek automobilių gamintojai, tiek kontroliuojančios įstaigos, tiek “žaliųjų” aktyvistų grupės, tačiau neatitikimą išspręsti nebuvo lengva – trukdė tiek didžiuliai piniginiai interesai, tiek reikalingos teisinės bazės bei skaičiavimo metodikos trūkumai.

 

 

Mūsų patarimas dėl variklio dydžio pasirinkimo

 

Modernūs mažieji varikliai greičiau susidėvi bei turi mažiau galios, didesni – dažniausiai ne tokie ekonomiški, tačiau tarnauja ilgiau. Ką rinktis? 

  • jei perkate nenaują dyzelinį (naujesnį nei ~2009m.) automobilį, pvz. nuvažiavusį > 200.000 km, venkite mažesnių nei 2L darbinio tūrio variklių
  • modernūs mažieji (iki 1.5L) turbo benzininiai varikliai statistiškai dažnai genda nuo ~100.000 km. ridos, vidutinio tūrio (1.5-2L) – nuo 150.000 – 200.000 km.
  • Euro6 taršos standartą atitinkančių automobilių variklių patikimumas – itin ribotas, lyginant su senesnės kartos varikliais. Tyrimais patvirtinta, jog dyzeliniams Euro6 varikliams tepalus keisti patartina kas 12000, maksimaliai – kas 15.000 kilometrų
    Gamintojai savo ruožtu siekia vartotojiškumo principo, ir tepalo keitimo intervalus didina, nors turėtų būti atvirkščiai, atsižvelgiant į tai, kiek pašalinių produktų atsiranda moderniame variklyje jo eksploatacijos metu
  • Turėkite omenyje, jog daugelio automobilių gamintojų prioritetai paskutinį dešimtmetį stipriai keitėsi: nuo patikimumo – link taršos sumažinimo bet kokia kaina, dažnai – variklių tarnavimo tiek, kiek galioja garantija. Remiantis įvairiais šaltiniais, tikėtina, jog nemažai automobilių gamintojų pogarantinio remonto pajamas įtraukia į planuojamą pelną parduodant naujus automobilius

 

Norite pasitarti? Skambinkite arba rašykite mums – visada pasidalinsime turimomis žiniomis.

Gero kelio!

 

 

Papildoma informacija ir šaltiniai:
Nuo NEDS – prie WLTP standarto: https://www.wltpfacts.eu/from-nedc-to-wltp-change/
Volvo – apie savo variklių darbinio tūrio mažinimą: https://www.automotiveworld.com/articles/interview-michael-fleiss-vp-powertrain-volvo-car-group/
Kodėl variklių darbinio tūrio mažinimas veikia ne visada: https://www.autocar.co.uk/opinion/industry/opinion-why-engine-downsizing-doesnt-always-work
Nematoma “Dieselgate” skandalo pusė: ko nesužino eiliniai vartotojai? https://galingas.lt/blogas/nematoma-dyzelgeito-skandalo-puse/