Реферат: Перспективы развития автомобильного двигателестроения (zip 1.6 Mb)

по предмету: «Автомобили»

по III разделу «Теории автомобиля и двигателя»

на тему: «Перспективы в развитии

автомобильного двигателестроения»

Выполнил: студент группы 4Т₁ – 96 /Никифоров О.В./

Проверил: /Пасынков В.П./

Нефтеюганск 1999 год

Содержание:

Какими должны быть современные

двигатели внутреннего сгорания.

Разработчикам современных двигателей приходится, подобно античным мореплава­телям, прокладывать курс между Сциллой конкурентных параметров и экологиче­ской Харибдой. Нынешний мотор должен быть, с одной стороны, технически совершенным: мощным, надежным, тяговитым, экономичным и при этом относительно не­дорогим. С другой стороны, ему необходи­мо соответствовать строгим экологиче­ским требованиям, которые ужесточаются не по дням, а по часам. Только три года назад вступили в силу требования Евро II, а ныне Евро III и уже маячат еще более строгие Евро IV. Они-то диктуют не вполне логичные, с точки зрения простого автомо­билиста, технические решения: новый двигатель иной раз оказывается сла­бее предшественника, обрастает не очень понятными, но весьма дорогими системами, которые не повышают, а порой и снижают его потребительские характеристики. Что поделаешь: конструкторы снова и снова идут на компромиссы – ка­кие уж тут рекордные параметры, когда во главу угла поставлены (законодательно!) экологические критерии - остаться хотя бы "при своих".

Итак, вперед, через воздушный фильтр! Впускные трубопроводы переменной длины, которые три года на­зад встречались как экзотика только на самых свежих моторах, стали привычным, если не банальным решением: их применя­ют на двигателях «Ауди», «Фольксваген», БМВ, «Опель» и даже «Дэу».

Двигатель автомобиля «Мерседес-Бенц-S500» (Евро IV) с регулируемым впускным трубопроводом, тремя клапанами на цилиндр, одним распределительным валом в головке, роликовыми толкателями и системой отключения четырёх из восьми цилиндров при работе с неполной нагрузкой: 4966 см³; 220 кВт/299 л.с.; 460 Нм при 3000 об/мин.

Усложнение конструкции? Несомненно! С другой стороны, оптимизация крутящего момента: никаких «провалов» и «подхватов», двигатель тянет ровно во всем диапазоне оборотов.

А
грегаты наддува получили до­вольно широкое распространение не только на дизелях, но и на бензиновых моторах. А вот приводные нагнетатели так и оста-

Дизельный двигатель «Опель-ЭКОТЕК» с неразделённой камерой сгорания, четырёхклапанной схемой газораспределения, турбонаддувом, промежуточным охлаждением и балансирными валами.

л
ись редкостью («Мерседес-Бенц-CLK» и SLK, «Ягуар-XJR», некото­рые модели «Дженерал моторc»). Зато турбокомпрессор выступил в новом каче­стве: так называемый наддув низкого да­вления – это не средство повышения мощности, как зачастую рассматривают любой наддув. Иными словами, задача не в том, чтобы сжечь побольше топлива ради дополнительных сил, а чтобы дать меньшему количеству сгореть с макси­мальной эффективностью («Фольксва­ген-1,8 Т», «Вольво-2,О Т» (118 кВт/160 л.с.) и 2,5 Т (142 кВт/193 л.с.), «СААБ-2,0 Турбо» (113 кВт/154 л.с.). Хотя своей спортивной специальности турбокомпрессор не за­был и у этих моделей существуют «заря­женные» версии с «правильным» надду­вом («Вольво-Т4» (147 кВт/200 л.с.) и Т 5 (176 кВт/240 л.с.), «СААБ-2,0 Турбо» (136 кВт/185 л.с.).

Регулируемый турбокомпрессор двигателя БМВ с электрическим управлением (справа).

Рядный шестицилиндровый дизель БМВ (Евро III) c четырёхклапанной схемой газораспределения, неразделённой камерой сгорания, системой впрыска «коммон рейл», роликовыми толкателями, регулируемым турбокомпрессором и промежуточным охлаждением воздуха (слева).

В системах подачи топлива –­ неболь­шая революция. Впервые серийные моторы с непосредственным впрыском бензина в цилиндр появились в Европе на «Мицубиси-Каризма» в 1998 году. В этом го­ду список таких моделей и фирм расширит­ся. Первым из европейцев в нем оказался «Вольво», следующим, по прогнозам, будет «Фольксваген». Считается, что именно дви­гатели с впрыском топлива в цилиндр (его и называют непосредственным) позволят до­стичь наилучших экономических и экологи­ческих характеристик. Правда, злые языки утвер-

Серийный бензиновый двигатель «Мицубиси-Каризма» с непосредственным впрыском (Евро III): 1834 см³; 92 кВт/125 л.с.; 174 Нм при 3750 об/мин.

ждают, что мотор «Мицубиси – GDI» с трудом уложился в нормативы Евро III по выбросу окислов азота и совсем «не лезет» в пер­спективные Евро IV, но до введения последних еще немало времени. Зато по экономичности «Мицубиси-Каризма» с таким мотором уже сегодня вплотную приближается к дизель­ным машинам. В трансъев­ропейском пробеге через 12 стран автомобиль (за­метим, среднего класса) показал средний расход бензина 4,83 л/100 км при средней скорости 90,47 км/ч. Минимальный расход на одном из участков со­ставил 3,69 л/100 км!

…Нажимая на пе­даль газа, водитель меха­нически открывает дроссельную заслонку. Так было. Теперь появились автомобили («Мерседес-Бенц», «Ауди», «Шевроле»), на которых заслонкой управляет электронная система, а педаль превратилась в банальный потен­циометр, с помощью которого водитель высказывает свои пожелания мотору. И это еще цветочки – в недалеком будущем дроссельную заслонку, как досадную по­меху во впускном тракте, «отменят» вовсе, заменив регулировкой подъема впускных клапанов или (в отдаленной перспективе) их электрическим или электрогидравличе­ским приводом.

Устройство для регулировки фаз в механизме газораспределения из экзотики тоже превратилось в обыден­ность. Моторы «Ауди», БМВ, «Хонды», "Тойоты" уже немыслимы без него. А вот увле­чение многоклапанностью проходит. Головки с четырьмя и даже пятью клапанами на цилиндр оказались нужны далеко не всем моторам. Если от двигателя не требу­ется особо высокой литровой мощности, то вполне можно обойтись тремя («Мерседес-Бенц», «Хендэ», «Тойота») или даже двумя клапанами (БМВ, «Фольксваген», «Мерседес-Бенц», «Форд»). Наряду с ними тот же «Фольксваген» успешно применяет пяти­клапанные моторы, но повальная «мода на многоклапанность» прошла. Ведь помимо неоспоримых достоинств (высокое качест­во продувки и наполнения цилиндров), та­кая конструкция имеет и «обратную сторо­ну»" (сложность, проблемы с охлаждением головки, увеличенные потери на трение). Теперь, похоже, количество клапанов вы­бирают не по принципу «больше, чем у кон­курента», а руководствуясь реальной необ­ходимостью для конкретной модели двига­теля. Кстати, даже в многоклапанных головках все клапаны часто приводятся од­ним распределительным валом («Хонда», «Мерседес-Бенц», «Опель») для снижения потерь на трение. Ради этого и новинка из разряда «хорошо забытое старое» – роли­ковые толкатели клапанов.

А как развивались в последние три года дизельные двигатели? Повсеместное распространение получили неразделенные камеры сгорания (непосредственный впрыск), многоклапанные головки цилиндров и турбонаддув. Причем все эти

Первый в мире легковой дизель с непосредственным впрыском «Фольксваген TDI».

новше­ства можно увидеть собранными во­едино в одном моторе («Мерседес-Бенц», «Опель», БМВ, «Пежо»). Легко­вой дизель с «непосредственным» впрыском потребовал серьезной ре­визии приборов питания. Привычные топливный насос и форсунки сдают позиции новомодной системе «коммон рейл», где топли­во находится в общем ресивере под постоянным давлением, а доступ к форсункам ему открывают клапаны, управляемые электроникой («Мерсе­дес-Бенц», ФИАТ, БМВ, «Пежо», «Ситроен», «Рено»). Таким образом удает­ся реализовать слож­ные законы подачи топ­лива, необходимые двигателю с неразде­ленной камерой сгора­ния, снизить шум и ток­сичность, практически исключить дымление. Хотя аккумуляторная система впрыска, по идее, очень схожая с «коммон рейл», извест­на давно.

Но «коммон рейл» позволяет достичь мак­симум 135 МПа, тогда как топливные насосы высокого давления (ТНВД)-до175 МПа. А ведь чем выше давле­ние, тем большей тонко­сти распыла топлива можно добиться – во благо рабочему процес­су и, естественно, мощностным, экономиче­ским и экологическим показателям. Поэтому среди дизелистов на­шлись «отщепенцы», ко­торые не пошли по «об­щему пути» (именно так переводится «коммон рейл»). Концерн «Фольксваген» первым на­чал серийное производство легковых дизе­лей с насос-форсунками. С ними давление впрыска смогли увеличить до 205 МПа – и возможно, поднимут выше. Насос-форсунки, кроме всего прочего, поз­волят в перспективе реализовать впрыск с учетом особенностей работы каждого ци­линдра. Такой мотор приходит на смену весьма экономичному 1,9 TDI (81 кВт/110 л.с.), который не смог, однако, уложиться в нормы Евро III. Новый мотор еще мощнее и экономичнее: 85 кВт/115 л.с., его крутящий момент больше на 50 Нм. Средний расход топлива у «Фольксвагена-Пассат 1,9 TDI» с таким двигателем 5,3 л/100 км – неплохо для большого и тяжелого автомобиля, спо­собного развивать скорость 200 км/ч.

Современные дизели оказались на­столько совершенными, что сумели завое­вать место даже под капотом автомоби­лей высшего класса. БМВ и «Ауди» уже вы­пускают такие машины с новейшими шес­тицилиндровыми турбодизелями. Их ско­ростные и динамические характеристики еще десяток лет назад «не снились» тог­дашним бензиновым моделям. В этом году на представительские машины немецких фирм установят «восьмерки» – с ними на­всегда исчезнет разница в динамике меж­ду бензиновыми и дизельными машинами, а почти двукратная разница в расходе то­плива останется.

Издавна привыкли, что дизель силь­но шумит – система «коммон рейл» снизи­ла уровень шума, а для большего ком­форта пассажиров легковые дизели ны­не помещают в капсулу из шумопоглощающих материалов. Кроме того, на неко­торых двигателях крышки всех коренных подшипников коленчатого вала выполне­ны как единая деталь, тем самым увели­чили жесткость нижней части блока – как результат, снизили шум и вибрацию.

Но и этого мало! Уравновешивающие валы в конструкции моторов не новость, но теперь их стали чаще применять на рядных «четверках» – до сих пор счита­лось, что здесь без них можно обойтись: не­уравновешенными си­лами инерции второго порядка попросту пре­небрегали.

Первый французский легковой дизель с непосредственным впрыском и «коммон рейл» (Евро III).

Тех, кто не слиш­ком любит проводить досуг в техцентре, по­радует, что двигатели стали, по существу, необслуживаемыми – так велики интервалы между сменами масла. Их достигли благодаря применению совре­менных конструкцион­ных материалов и по­крытий и, конечно, вы­сококачественных масел.

Самый мощный из выпускаемых легковой дизель БМВ (ЕвроIII): система «коммон рейл», два регулируемых турбокомпрессора, промежуточное охлаждение, 3901см³; 170 кВт/ 230 л.с.; 500 Нм при 1800 об/мин.

Пробег 25-40 тыс. км без замены масла стано­вится реальностью, и даже дизельные моторы, традиционно более требователь­ные к смазке, переваливают 20-тысячный рубеж обслуживания. Так что при благо­приятных условиях наведываться в сер­вис придется не часто.

Каковы дальнейшие перспективы? Двигатели с непосредственным впрыском, как дизельные, так и бензиновые, продол­жат захват новых территорий. С дизель­ными моторами все более-менее ясно – предкамерные моторы сдают позиции, а вот двигателям с впрыском бензина в ци­линдр потребуется еще доказать свою «состоятельность», чтобы потеснить под ка­потом привычные конструкции. Но актив­ность ведущих фирм на этом направлении позволяет надеяться, что новое время не за горами.

Оте­чественная промышленность тоже сдела­ла пусть запоздалый, но большой шаг впе­ред. Сейчас в России серийно выпускают два двигателя с четырехклапанными головками цилиндров, гидротолка­телями клапанов и рас­пределенным впрыском топлива: ЗМЗ-406 и ВАЗ-2112. Малыми се­риями в Барнауле дела­ют первый в стране лег­ковой дизель для авто­мобилей ВАЗ. Правда, по конструкторским решениям он весьма арха­ичен. Зато в Нижнем Новгороде пытаются освоить производство, а пока собирают из им­портных деталей ди­зельный двигатель «Штайр» очень ориги­нальной конструкции: с непосредственным впрыском, насос-форсунками и головкой цилиндров, выполнен­ной заодно с блоком. Над легковым дизе­лем работает и заволжский завод. Так что движение есть, пусть и в глубоком арьер­гарде мировой техники.

А теперь подробнее рассмотрим некоторые новинки, заслуживающие большого внимания и наиболее перспективные разработки инженеров в области развития автомобильных двигателей внутреннего сгорания…

Система «коммон рейл».

Дизельному двигателю уже 100 лет, но именно в наше время развитие его конструк­ции пошло необычайно быст­рыми темпами. Знаменитей­шие фирмы представляют но­винку за новинкой, сулят не­бывалые ранее результаты. Здесь речь пойдет о новой системе впрыска «коммон рейл», устанавливаемой на дизельные двигатели.

Нынешние дизельные двигатели го­раздо совершеннее тех, что были 10-15 лет назад: большинство из них снабжены турбонаддувом с промежуточным охлаждением воздуха, а литровая мощность многих перевалила за 37 кВт/л (50 л.с./л). В конце 70-х это считалось совсем неплохим пока­зателем для «атмосферных» бензиновых двигателей. Динамические качества авто­мобилей с такими дизелями, равно как и максимальная их скорость, вполне на вы­соте. Так что те, кто по-прежнему считает дизель маломощным, трясучим и вонючим, заблуждаются, особенно если учесть, что в начале этого десятилетия грянула новая революция в конструкции моторов с вос­пламенением от сжатия.

Н
епосредственный впрыск топлива пе­ревернул все существовавшие представле­ния о возможностях дизельных двигателей и сделал реальной их прямо-таки неверо­ятную экономичность в сочетании с отлич­ной динамикой. Судите сами: большой, со­лидный «Ауди-А6» снаряженной массой около 1,5 т. с механической шестиступенча­той коробкой передач расходовал в сред­нем менее 7 л. дизельного топлива на 100 км, разгоняясь до 100 км/ч менее чем за 10 с. и развивая на автобане более 200 км/ч. При движении с умеренной скоростью его «аппетит» укладывался в 4 л/100 км. Совсем недавно такие показатели каза­лись просто фантастическими.

Прототип серийного четырёхцилиндрового дизельного двигателя «Тойота» рабочим объёмом

2 л с двумя верхними распределительными валами и турбокомпрессором.

Путь легковых дизельных двигателей к непосредственному впрыску (по-другому, дизели с неразделенной камерой сгорания) оказался отнюдь не простым. Сам по себе дизель с непосредственным впрыском дале­ко не новинка. Абсолютное большинство «больших» дизелей сделано именно так. Но процесс, легко достижимый в моторах с ма­ксимальной частотой вращения коленчато­го вала, не превышающей 2500 об/мин, крайне сложно организовать в достигаю­щих вдвое больших оборотов. И хотя конст­рукторы немало потрудились над этим, ре­зультаты пока оставляют желать лучшего.

Двигатели с неразделенной камерой сгорания действительно экономичнее своих предкамерных и вихрекамерных со­братьев примерно на 20%, но шума и виб­раций у них заметно больше. Для легко­вого автомобиля эти показатели могут оказаться более важными. Поэтому не случайно многие фирмы наряду со сверхэкономичными дизелями непосредствен­ного впрыска по-прежнему выпускают и предкамерные, и вихрекамерные. Только «Ауди» и «Ровер» (кроме «Ленд-Ровера») полностью перешли на моторы с неразде­ленной камерой сгорания. «Мерседес», от­давая им должное, продолжает совер­шенствовать предкамерные дизели с че­тырьмя клапанами на цилиндр. «Пежо» и «Рено» тоже не торопятся снимать с производства свои предкамерные. ФИАТ да­же выпускает новые, а БМВ попросту де­лает вид, что лучший легковой дизель всех времен и народов – их рядная вихрекамерная «шестерка» с турбонаддувом. Что это – здоровый консерватизм или техническое отставание?

Как же можно улучшить плавность, экономичность, эколо­гические показатели дизеля без потери мощности? Тем же способом, как в свое время это сделали на бензиновых моторах, когда карбюратор за­менила управляемая электроникой система впрыска топлива. Одна беда – создать элект­рически управляемую форсунку по образцу той, что использует­ся в бензиновых двигателях, сегодня технологически невозможно: дизельная фор­сунка установлена прямо в цилиндре, где температура газов достигает 2000°, а дав­ление в топливной системе может в сто и более раз превышать атмосферное. Сис­тема «коммон рейл» (Соттоп Rаi1), что в дословном переводе означает «общий путь», «общая магистраль», как раз и призвана решить эту задачу.

До сих пор роль управляющей элект­роники в легковых дизельных двигателях сводилась к управлению топливным насо­сом, давлением наддува, стартовой процедурой и регулированием холостого хода. Давление в системе практически постоянно, топливный насос высокого давления (ТНВД) варьирует лишь количество топли­ва, что подается в цилиндр за один ход, а бездумная форсунка открывается под дей­ствием ударной волны в топливе (жидкость практически несжимаема) и закрыва­ется под действием пружины.

В «коммон рейл» все обстоит иначе – можно непосредственно регулировать мо­мент впрыска, количество топлива и закон его подачи, даже давление в магистрали. Иными словами, всегда обеспечивать опти­мальные условия работы. Принципиальное отличие системы в том, что ТНВД подает топливо не в индивидуальные трубопроводы к форсункам, а в «общую магистраль», обо­рудованную датчиком давления и обратным клапаном, сливающим лишнее топливо в бак. Форсунки остались прежними, механи­ческими (ничего другого пока не придума­ли), но вот к каждой добавился пьезоэлект­рический клапан, открыванием и закрыванием которого управляет электронный блок. Он же управляет ТНВД, обеспечивая раз­личную подачу топлива и давление в «общей магистрали». Так, давление на холостом хо­ду минимально, что позволяет снизить шум работы форсунок и ТНВД, а при разгоне с низких оборотов – максимально, что обеспе­чивает наилучшую приемистость.

С
хема компонентов системы «коммон рейл» фирмы «Бош»: 1 – топливный насос высокого давления;

2 – электронный блок управления; 3 – датчик давления; 4 – собственно «общий путь» – коллектор;

5 – обратный клапан; 6 – форсунка с электронным управлением; 7 – топливный бак.

Как видим, идея отнюдь не сложна. Иное дело, что технологическое ее испол­нение в условиях массового производства стало возможно лишь в нынешнем году. Сегодня доподлинно известно, что фирмы «Бош» и «Тойота» располагают готовыми к серийному производству системами впры­ска «коммон рейл», причем двигатели с «бошевской» системой уже испытаны на се­рийных моделях автомобилей. По неофи­циальным данным, это дизельные моторы для нового «Опеля-Астра» и "Мерседеса-А". ­

Так что же дает система «коммон рейл» по сравнению с обычным дизелем непосредственного впрыска? По предва­рительным данным, экономия топлива составила около 10-15%, мощность возросла до 40%, существен­но снизились выбросы окислов азота и углерода, а также снизился шум на 10 дБ. На стенде «Тойоты» в Женеве можно было послушать и сравнить запись звука обычного дизеля с непосредственным впрыском и опытного мотора с «коммон рейл». Первый, как и полагается, издавал типично «тракторный» шум, а второй, ско­рее, напоминал обычный бензиновый мо­тор со слегка увеличенными зазорами в клапанном механизме.

Насос-форсунка.

То, что вылетает из вы­хлопной трубы дизельного мотора, напрямую зависит от того, что и как поступает в его цилиндры. Точнее говоря, дав­ление впрыска имеет здесь ре­шающее значение. Именно в этом немецкий концерн еще раз оставил конкурентов дале­ко позади.

П
опулярная ныне схема «коммон рейл» создает давление поступающего топлива не более 1350 атм. Выше показа­тель у оптимизированного в каждой своей детали топливного насоса высокого давления (ТНВД) на БМВ-3200D ­– 1750 атм. Новая же насос-форсунка от «Фольксвагена» развивает давление 2050 атм!

Новый трехцилиндровый дизель для «Фольксвагена-Лупо».

Как следует из самого названия, этот узел объединяет в одно целое насос и форсунку. Расположен он непосредственно около каждого цилиндра в головке двигателя. Усиленный кулачковый вал воздействует на поршень насосной части через рычаг, снабженный роликовым подшипником, что исключает трение скольжения.

Почему стремятся увели­чивать давление впрыска? Чем оно больше, тем мельче частицы распыленной соляр­ки, тем полнее их сгорание, поскольку необходимое коли­чество кислорода достигает чуть ли не каждой молекулы топлива. А это позволяет окончательно решить пробле­му дымности выхлопа: новый трехцилиндровый дизель соот­ветствует нормам D3 и, может быть, уложится в требования будущих Евро IV. К тому же благодаря полному использо­ванию энергии топлива расход его составит менее 3 л/100 км!

Но вернемся к насос-фор­сунке. Ее идея известна (и опробована) уже давным-давно – вспомним хотя бы мотор ЯАЗ-206. И все же насос-форсунки первого поколе­ния были почти повсемест­но вытеснены ТНВД и при­вычными нам «обычными» форсунками. Этот тандем прекрасно работает – но только не при давлении 2000 атм., когда сжимают­ся даже «несжимаемые» жидкости. Что уж говорить о трубопроводах: они пре­вратились бы в сложно ко­леблющиеся упругие резер­вуары и точное управление моментом впрыска стало бы просто невозможным. Только из-за этого необходимо было свести к минимуму объем сжа­того топлива. Другой немало­важный аспект: теперь и тру­бопроводы низкого да­вления спрятаны в головке цилиндров.

Тем не менее, без точно управляемого компьютером электромагнитного клапана почти все труды пропали бы даром, поскольку важно не только ввести нужное количе­ство топлива в нужный мо­мент – так же точно должен быть определен конец фазы впрыска.

Разрез головки блока цилиндров: 1 – кулачковый вал; 2 – рычаг с роликом; 3 – насос-форсунка.

Для мягкой и чистой работы новый двигатель ис­пользует предварительный («пилотный») впрыск неболь­шой (1-2 мм³) дозы горючего. Еще одна особенность: насос-форсунка закачивает топливо в зависимости от скорости вращения кулачкового вала, но при этом обладает всегда одним и тем же ничтожным за­пасом солярки.

Сочетая сверхвысокое давление впрыска с другими параметрами рабочего процесса дизеля, удалось умень­шить содержание окислов азота в выхлопе.

Ну и, наконец, новый мо­тор обеспечивает отличные ездовые характеристики. Так, трехцилиндровый дизель ра­бочим объемом 1,4 л развива­ет крутящий момент 195 Нм уже при 2200 об/мин и, как бы­ло сказано, удовлетворяет же­стким нормам токсичности D3, обладая высокой экономично­стью. Остается подождать ответа конкурентов.

Пьезокерамический инжектор.

Современные системы впрыска отличают быстродействие и да­вление. За них и идет постоян­ная борьба. Ведь топливо необ­ходимо без задержки доставить в нужный цилиндр и при этом распылить его на мельчайшие частицы, чтобы обеспечить пол­ное сгорание. С этой же целью в последнее время применяют и дополнительный «пилотный» впрыск 1-2 мм³ топлива, для че­го требуется в течение несколь­ких миллисекунд выдать коман­ду форсунке. И не толь­ко выдать – на то и быстродействую­щие мозги – но и исполнить с ма­ксимальной точностью.

Напомним, что системы «коммон рейл» работают при да­влении около 1500 атм. и управ­ляют началом и длительностью впрыска с помощью суперско­ростных электромагнитных или комбинированных электрогид­равлических клапанов. Впрочем, «супер» здесь означает за­держки в пределах 0,5 мс., тогда как для гарантированного вы­полнения новых норм токсично­сти и дымности надо бы рабо­тать быстрее. Но электромаг­нит с подвижным сердечником уже исчерпал все, даже теоре­тические, возможности. И тут на помощь пришел концерн «Сименс», запатентовавший... пьезокерамический инжектор, ко­торый обещает настоящий про­рыв в быстродействии. Он ра­ботает вчетверо быстрее преж­них и был удостоен в 1999 году премии за «Инновационное при­менение материалов» Союза немецких инженеров.

В чем же суть изобрете­ния? Известно, что при подаче электрического напряжения на пьезокерамическую пластинку она несколько изменяет свою толщину.

График процесса двойного впрыска и характер распыления топлива.

Нес­колько – это микроны, и до сих пор эффект использовался в основном лишь для излучения ультразвука. Изобретателям немецкой фирмы удалось соз­дать 280 –слойный пакет из пьезокерамики, расширяющийся на 80 мкм всего за 0,1 мс – достаточно, чтобы воздейство­вать на иглу форсунки с усили­ем 6300 Н! При этом для управ­ления используют напряжение бортсети автомобиля. Серий­ное производство новинки пла­нируется на заводе в Лимбах-Оберфроне (Саксония) – «Сименс» инвестирует в него более 60 млн. долларов.

Стартер-генератор.

Трудно представить себе автомо­биль без …стартера? Однако в этом нет ничего невозможного. Дочерняя фирма шинного концерна «Континенталь ИСАД Системс» в Кельне разработала принци­пиально новый узел, который так и называется – ИСАД (Интегрированный Стар­тер-Альтернатор (Генератор) – Демп­фер). За этими сухими словами кроется настоящая революция в автомобиле­строении.

Как и в обычных электромоторах, принцип работы нового устройства осно­ван на силовом воздействии электромаг­нитного поля. Однако теперь ротором стартера-генератора служит сам махо­вик (конечно, без привычного зуб­чатого венца), вокруг кото­рого размещены обмотки статора. Управляющая узлом электроника са­ма решает, в каком ре­жиме - стартера или генератора - должен работать ИСАД в данный момент. Ременный привод ге­нератора, никогда не отличавший­ся надежностью и требовавший периоди­ческой регулировки, больше не нужен.

Н
о не ради этой мелочи создавался ИСАД. Привычный стартер раскручивал коленчатый вал двигателя максимум до 150 об/мин. Новый механизм развивает 800 оборотов всего за 0,2 с! От такого рывка заведется даже самый «дохлый» мотор. При этом нет никаких тарахтящих звуков. Следовательно, появляется возможность автоматического выключения и пуска двигателя на любой остановке, например у светофора или в «пробках». Экономия топлива в городском цикле мо­жет составить до 35%! Теперь пред­ставьте, что у светофора собралась ком­пания машин, оснащенных ИСАДом. Мо­торы молчат, значит, на улице тишина и не идет ядовитый газ из выхлопных труб, но едва зажигается «зеленый» – словно по мановению волшебной па­лочки, поток автомобилей приходит в движение. Причем достаточно резво: ведь «революционный» стартер может помочь при разгоне, добавив около 50 кВт(!) мощности, правда, всего на не­сколько секунд. Где взять энергию? Об этом позаботятся установленные на ав­томобиле конденсаторные накопители большой емкости. Далее: благодаря электронике неумелый водитель не заглушит нечаян­но двигатель при троганьи с места, не дав достаточно «газа». Ему поможет сила электромагнитных полей.

Размещение узлов системы ИСАД: 1 – стартер-генератор; 2 – блок управления; 3 – аккумулятор;

4 – конденсаторный накопитель энергии; 5 – розетка 220 В; 6 – цепь 42 В кондиционера.

Теперь обратимся к генераторной функции ИСАД. Здесь также много приятных сюрпризов. Если обычная борто­вая сеть питается от постоянного тока напряжением 12 В, то на автомобиле «Ситроен-Ксара-Динальто», оборудован­ном новой системой, целые четыре раздельные сети. Кроме стан­дартных 12 В, вырабатываются еще 42 В для питания кондиционера, 100 В для ра­боты системы впрыска и запуска, а так­же... 220 В переменного тока для под­ключения бытовых электроприборов! Бо­лее того, к. п. д. нового генератора дос­тигает 80% во всем диапазоне частот вращения двигателя, что допол­нительно экономит около 0,5 л топлива на 100 км.

Всем этим, од­нако, не исчерпыва­ются преимущества системы ИСАД. Бла­годаря созданию ко­ротких импульсов тормозящего момен­та система служит демпфером кру­тильных колебаний ко­ленчатого вала, что обеспечивает более спокойную и тихую работу мотора без использования балансирных валов. Даже очень неравномерно работающий трехцилиндровый дизель легко укрощает­ся ИСАДом.

Серийное применение новой систе­мы ожидается с 2001 года на автомоби­лях с двигателями рабочим объемом 1,4-1,8 л. Реально достигнутая экономия топлива в городском цикле – от 15 до 20%, а эффе­ктивность помощи при ускорении выра­жается в добавочных «электрических» 7кВт, так что, например, разгон на пятой передаче с 80 до 120 км/ч занимает на 2 секунды меньше, чем на стандартной модели «Ситроен-Ксара-Динальто». Совсем неплохо для начала!

Восемнадцать цилиндров. Семьдесят два клапана.

Пятьсот пятьдесят пять лошадиных сил.

Свой новый двигатель «Фольксваген» назвал W18, однако буква лишь маскирует его истинную конфигурацию. Ведь всего пару лет назад «Фольксваген» показал мотор W12, собранный из двух VR6. Но тут классический ла­тинский алфавит для инженеров оказался беден: в этих двигателях, несмотря на схо­жее обозначение, нет ничего общего (кро­ме, понятно, изготовителя)! У W12 цилин­дры собраны в два блока по шесть и рас­полагаются при этом в четыре ряда – здесь подошла бы «буква» . А у W18 – три ряда цилиндров по шесть в каждом, то есть . Как видите, азбука двигателестроения пополняется все новыми знаками.

Основной идеей была не конфигурация двигателя и число цилиндров, а отбор мощности этого уникального агрегата: момент передается на трансмиссию с середины коленчатого вала! Это позволило укоротить коробку передач: ее первичный вал перестал быть соосен ко­ленчатому, развязав руки проектировщикам силовой передачи. Но и этого мало. Как из­вестно, суперкар в наши дни просто обязан быть полноприводным. W18 рассчитан как раз на такую машину: картер редуктора переднего моста составляет одно целое с под­доном картера двигателя. При этом момент передается сюда валиком, расположенным внутри того вала, что связывает двигатель с коробкой передач!

Разрез двигателя W18: 1 – генератор водяного охлаждения; 2 – три шатуна на одной шейке коленчатого вала;

3 – шестерни привода распределительных валов; 4 – вал привода трансмиссии;

5 – валик передачи момента к передним колёсам.

К
ак обычно, один нетрадиционный шаг повлек за собой другие. Так, привод всех шести распределительных валов осуществляется зубчатой передачей от той же шестерни в середине коленчатого вала, что и транс­миссия. Естественно – ведь иначе при­шлось бы сделать двигатель длиннее. А вообще-то он по этому параметру весьма скромен – всего на 10 см больше, чем W12, и уж, наверняка, короче многих се­рийных рядных «шестерок». Собственно, сделать агрегат как можно компактней и было основной целью создателей.

Из других неординарных решений хотелось бы назвать бесщеточный генератор, вмонтированный в блок цилиндров и охлаждаемый водой. Естественно, как у любого перспективного мотора, здесь – непосредствен­ный впрыск, четыре клапана на цилиндр (то есть всего их - 72) и по катушке зажи­гания на свечу. Каждый из трех микропро­цессоров управляет своим рядом цилинд­ров, четвертый – синхронизирует их рабо­ту и осуществляет «общий надзор».

Ни для кого не секрет, что шестици­линдровые рядные двигатели прекрасно уравновешены. W18, в котором «упрятано» три «шестерки», – тоже, но этого конструк­торам показалось мало: они смогли урав­новесить каждую поперечную трехцилинд­ровую секцию. Нетрудно сделать вывод, что семейство «трехрядных» двигателей предполагается расширить. Куда сложнее понять, какие же из чисел пока не войдут в оборот арифметики «Фольксвагена». Ведь теперь стали возможны такие экзотиче­ские варианты, как W9 и W15. А если учесть опробованную концерном техноло­гию «отъема» одного цилиндра у привыч­ных моторов (свежий пример – серийный V5), то в промежутке от 3 до 18 цилиндров «Фольксваген» без труда заполнит любую ячейку, причем многие – не единственным способом. Скажем, к известным VR6 и V6 может добавиться W6.

И восемнадцать – не предел.

Скоро мотор W18 от «Фольк­свагена», о котором писалось выше, будут считать относительно скромным по его характе­ристикам. Для будущего купе «Майбах» констру­кторы «Даймлер-Крайслера» разрабатывают двигатель с… двадца­тью четырьмя цилинд­рами! Под капотом шести­метрового двухдверного ку­зова как раз хватает места для такого агрегата. А заду­ман он в общем-то бесхитро­стно «просто» взяли и соеди­нили тандемом два известных двигателя V12. На самом же деле технических проблем здесь предостаточно. Прежде всего надо обеспечить жест­кость всей конструкции, ее крепление в моторном отсеке с учетом возможных колеба­тельных процессов. Отбор мощности решено сделать от места сочленения. Каждый из двигателей имеет собст­венный турбонаддув, так что с рабочего объема 15 (!) литров удастся снять никак не меньше 1000 л. с., а крутящий момент уж точно будет измеряться четырехзначным числом. Коробку передач, приводные валы, электронную противобуксовочную систе­му, ясное дело, придется разрабаты­вать заново. Прототип суперкупе должен быть представлен публике на Токийском авто­салоне 2001 года.

Для чего же нужна такая гигантская мощность? Во-первых, «Майбах» сразу про­рабатывается в брониро­ванном варианте массой около четырех тонн.

Примерно так будет выглядеть новый 24-х цилиндровый бензиновый двигатель «Даймлер-Крайслер».

Во-вторых, он будет снабжен всеми мыслимы­ми, а возможно, и немыслимыми сегодня электронными системами навигации, связи, управления и т.п. Одних только антенн в кузове заложено… 20 штук! К тому же салон надо обогре­вать зимой и охлаждать ле­том. Все это, конечно, потре­бует немалых затрат энер­гии. Ну и на разгон кое-что останется. Кстати, уже за­планирована и цена будуще­го флагмана – всего-то 250 000 долларов – цифра, в от­личие от технических пара­метров, сегодня не поражаю­щая воображение.

А все-таки жаль, что в современных двигателях привод клапанов выполнен с гидрокомпенсаторами зазо­ров. Только представьте себе: отрегулиро­вать зазоры в 96 клапанах. Еще та была бы работа.

Двигатели Волжского автомобильного завода.

Настало время поговорить немного о том, как же развивается двигателестроение на отечественных автомобильных заводах. Конечно, наше автомобилестроение отстает немного от зарубежного, но все же…

Н
овый двигатель для ВАЗ-2110 (его индекс 2112) создавался не с чистого листа. Изучив его техническую харак­теристику, несложно заметить, что основные геометрические размеры (межцилиндровое расстояние, диаметр и ход поршня) такие же, как и у мо­тора ВАЗ-21083, который поначалу устанавливался на ВАЗ-2110. В самом деле, блок ци­линдров нового двигателя почти аналогичен по конст­рукции блоку ВАЗ-21083. От­личия все же есть. Самое су­щественное – уменьшенный до 10 мм диаметр болтов крепления головки и, соответственно, от­верстий для них в блоке. При обработке цилиндров примене­на современная технология плосковершинного хонингования. Это позволило уменьшить износ деталей цилиндропоршневой группы и повысить на­дежность двигателя. И пос­леднее отличие – приливы под датчики системы впрыска топлива, которых нет на «восемьдесят тре­тьем» двигателе.

Коленчатый вал 2112 отличается конструкцией противовесов, но хотя полностью взаимозаменяем с валом 21083, име­ет новшество: на носке вала установлен демпфер крутильных колебаний.

Шатунно-поршневая группа ориги­нальная. Поршневой палец – плавающе­го типа. От осевых перемещений он фик­сируется стопорными кольцами.

Форма днища поршня диктуется пре­жде всего шатровой камерой сгорания, традиционной для двигателей с четырьмя клапанами на цилиндр. Масляное охлаж­дение поршня призвано снизить его тем­пературу. Масло под давлением подается на поршень снизу из специальной фор­сунки, установленной в блоке цилиндров.

Теперь о главном – новой головке блока цилиндров. Она создана в сотрудничестве с фирмой «Порше». Два распределительных вала приводятся зубчатым ремнем со специальным полукруглым профилем зубьев. Специальный кожух надежно защищает зубчатый ремень от попадания грязи и т.п. В приводе клапанов установлены гидротолкатели. Теперь не надо регулировать зазоры, к тому же упрощена технология сборки головки. Для двигателей «восьмого» семейства эта операция была автоматизирована. Теперь вообще не надо подбирать регулировочные шайбы – шестнадцать раз для одного двигателя! Использование гидротолкателей потребовало усовершенствовать смазочную систему двигателя, чтобы исключить возможность обратного слива масла и, как результат, потерю работоспособности гидротолкателей.

Следующая особенность – одна клапанная пружина вместо двух. У нового клапана уменьшен диаметр стержня, поэтому уменьшились его масса и инерционные нагрузки на пружину. Усилия единственной пружины достаточно, чтобы своевременно возвращать клапан на место.

Система распределенного впрыска топлива разработана совместно с фирмой «Дженерал моторс». Впрыск фазированный – момент подачи топлива синхронизирован с моментом открытия впу­скного клапана. Установка карбюратора на двигатель ВАЗ-2112 не предусмотре­на: впускная труба под карбюратор даже не разрабатывалась.

Новый мотор потребовал новых, компактных свечей. Они устанавливают­ся в глубоких колодцах в головке блока цилиндров. Для привычных больших све­чей колодцы пришлось бы делать шире, а это невозможно: головка скомпонова­на очень плотно. Такие свечи, как, кста­ти, и зубчатый ремень, выпускаются многими фирмами и продаются в России.

Для установки двигателя на автомо­биль используется гидроопора сложной конструкции. Она позволяет ощутимо уменьшить вибрации, передаваемые двигателем на кузов автомобиля.

Двигатель ВАЗ-2112 еще не стал се­рийным, но уже идет работа по его даль­нейшему совершенствованию. В первую очередь планируется оснастить его впускным трубопроводом переменной длины. На зарубежных моторах это уже не новин­ка, там их применяют все шире. Вкратце о том, в чем же достоинство этой системы.

В процессе работы двигателя воздух в трубопроводе совершает колебательные движения. Если подобрать нужную длину впускной трубы, можно добиться, чтобы в момент открытия впускно­го клапана к нему подхо­дила очередная волна дав­ления. Это позволяет улучшить наполнение ци­линдра. Но двигатель – аг­регат многорежимный, по­этому на разных оборотах требуется, строго говоря, различная длина впускной трубы. Плавная регулиров­ка длины – задача техниче­ски трудновыполнимая. Но даже предложив воздуху два пути: длинный – в режи­ме максимального крутяще­го момента и короткий – в режиме мак­симальной мощности, можно значи­тельно улучшить показатели мотора и, главное, избавиться от основного недостатка многоклапанных двига­телей – достижения максимума крутящего момента при высоких обо­ротах коленчатого вала.

Те же цели преследует и другая перспективная разра­ботка – система для изменения фаз газораспределения. Обору­дованный ею мотор должен стать еще более тяговитым, лучше приспо­сабливаться к изменению нагрузки. Давай те же поговорим о таком двигателе…

Вспомним, как происходит впуск в обычном четырехтакт­ном двигателе. Поршень, ми­новав верхнюю мертвую точку (ВМТ), движется вниз. Открыв­шийся несколько раньше впу­скной клапан пропускает смесь, и она постепенно запол­няет цилиндр. Вот пройдена нижняя мертвая точка (НМТ), но клапан еще какое-то время открыт: на больших оборотах инерция потока топливно-воздушной смеси позволяет «до­заправить» цилиндр. Для полу­чения высокой максимальной мощности – это благо, а вот крутящий момент на неболь­ших оборотах неизбежно пострадает: если частота враще­ния коленчатого вала невелика, пор­шень успеет вытолкнуть часть смеси через впускной клапан. Избежать потерь можно, если раньше закрывать впускной клапан на малой скорости ко­ленчатого вала.

Менять длительность фа­зы чересчур сложно, поэтому решено было смещать соответ­ственно и момент открытия клапана. Линейная скорость поршня вблизи ВМТ относи­тельно невелика, поэтому по­тери на газообмен практиче­ски не возрастут. Конечно, идеал – плавная регулировка фаз, а программа-минимум – это компромисс между сложно­стью и результативностью: два фиксированных положения ва­ла, два режима работы впуск­ных клапанов.

И тот и другой варианты реализованы на многих серий­ных двигателях за рубежом. Но если говорить об опытно-конст­рукторских работах, мы, в об­щем, не слишком-то отстали от Запада и Востока. Для перспек­тивного двигателя ВАЗ-11193 уже адаптиро­ван механизм регулирования фаз, разработанный москов­ской фирмой АО «Терра». Мотор – дальнейшее развитие двухвального 16-клапанного ВАЗ-2112 – должен появиться на конвейере в 2004 году и, есте­ственно, отвечать уровню тех­ники XXI века. Отечественные конструкторы выбрали более дешевый вариант с двумя фик­сированными положениями «впускного» распределительного вала – гидромеханическое поворотное устройство (на фото). Две пары поршней в корпусе механизма могут сдвигать вал на 20° впе­ред (впускные клапаны при этом открываются и закрыва­ются раньше). По каналу внут­ри вала моторное масло пода­ется к поршенькам, и они вы­талкиваются «наружу», увле­кая за штифты фланец распределительного вала.

Обратите внимание на фор­му канавок – у соседних порш­ней они разные. У одних – снача­ла пологая (рабочая) часть, за­тем крутая (вспомогательная), у других – наоборот. Первые пово­рачивают распределительный вал на де­сять градусов и останавли­ваются – давления масла не хватает, чтобы преодолеть изгиб канавки. Вторые, миновав вспомога­тельную часть, уже вышли на рабочую пози­цию: они изме­няют угол пово­рота еще на столь­ко же. Потребова­лось вернуть распределительный вал в начальное положение – работа­ет сначала вторая пара, затем первая. Обойтись парой порш­ней не позволила теснота – весь механизм должен «поместиться» в звездочке!

Момент поворота зависит от частоты вращения коленчатого ва­ла, нагрузки, детонации и рас­считывается электронным бло­ком (тем же, что командует и другими системами двигателя – впрыском, зажиганием). Ком­пьютер управляет электромаг­нитным клапаном, который на­правляет поток масла по раз­ным каналам. В зависимости от настройки управляющего блока возможны варианты. Пер­вый порадует во­дителей увеличени­ем «тяговитости» – кру­тящий момент на невысоких оборотах возрастает на 12-15%. Второй в какой-то ме­ре успокоит «зеленых»: снизит­ся содержание вредных выбро­сов в отработавших газах. В угоду экологии ВАЗ планирует сделать регулируемым не толь­ко впуск, но и выпуск. На режи­мах, где не требуется полная мощность, выпускной клапан полезно открывать и закрывать пораньше. Тогда часть от­работавших газов останется в цилиндре и разбавит свежий заряд (внутренняя рециркуля­ция). По сравнению с впуском фазы потребуется сдвигать на меньший угол, следовательно, нужна только одна пара порш­ней – эта часть устройства бу­дет проще и дешевле.

Механизм сдвига фаз мо­жет породниться и с другими тольяттинскими моторами, имеющими ременный привод и два распределительных вала (они управляют соответственно впускными и выпускными клапанами). На­пример, можно установить уст­ройство на двигатель ВАЗ-2112, каким уже комплектуют «десятки», изменив головку блока (надо обеспечить подвод масла к механизму и «выделить» место под электромагнит­ный клапан).

Конструкция сейчас в ста­дии доводки, она выдержала длительные испытания на до­работанном двигателе ВАЗ-2112 (к сожалению, ВАЗ-11193 существует пока только как макетный образец) и по их ре­зультатам была несколько из­менена. Впереди очередные экзамены. Если они пройдут успешно, можно ожидать появ­ления механизма сдвига фаз и на серийных двигателях раньше 2004-го.

Пароль: экология!

Американцы первыми почувствовали удушливость автомобильных выхлоп­ных газов и их гнетущее влияние на ок­ружающую среду. Еще в 1955 году Кон­гресс США принял акт о сохранении чи­стоты воздуха, а спустя десять лет – национальную программу по ограниче­нию токсичности выхлопных газов ав­тотранспорта.

Проблема обострялась и, подобно эпидемии, охватывала все новые страны. Уже в 70-е годы полицейские в центре Токио иногда пользовались кислородной маской.

Ныне действуют экологические программы Евро, которые с каждым годом устанавливают все более жесткие требования к выбросу двигателями вредных веществ в атмосферу. Для того, чтобы вписаться в рамки стандартов Евро необходимо при конструировании ДВС уделять большое внимание экологической части.

Главные виновники токсичности вы­хлопных газов - окислы углерода, углеводороды и окислы азота (СО, СН, NО_x). Современная система для снижения их выброса – каталитический нейтрализатор (его часто называют просто катализатором). Он связан с системой управления двигателем.

Нейтрализатор – это керамический блок с множеством продольных каналов, площадь отверстий которых 1 мм² и тол­щина стенки 0,1- 0,5 мм. На внутреннюю поверхность этих сот-трубок напылен слой платины и родия, всего 3-5 г. Проходя вдоль ячеек катализатора, выхлопные га­зы при высокой температуре подвергают­ся нейтрализации и превращаются в безо­пасные двуокись углерода, водяной пар и азот. Ка­тализаторы снижают токсичность выхлопа примерно на 90%, то есть позволяют при сохранении уровня загрязнения воздуха увеличить численность автотранспорта.

В 1999 модельном году концерн БМВ собирается вывести ка­тализатор для 12-цилиндро- вого двигателя своего флагмана «750 i» на высочайший технический уровень (см. рисунок). При этом должны быть вы­полнены нормы Евро III и Евро IV, а заодно и жесткий калифор­нийский стандарт. В первые секунды после пуска двигателя, пока катализатор еще не прогрелся до рабочей темпе­ратуры, выхлопные газы вылетают сквозь него в трубу практиче­ски без очистки. А чем мощнее двигатель, тем больше размер и масса катализатора и тем дольше он будет прогреваться на холо­стом ходу. БМВ решила установить электрообогреваемый катали­затор «Эмитек» (см. схему). Поскольку разогрев активной массы должен произойти в считанные секунды перед включением стар­тера, нагреватель потребляет огромной силы ток, отдаваемый... дополнительной сверхмощной аккумуляторной батареей! А она для своей зарядки потребовала установки мощного генератора с жидкостным охлаждением. Поскольку и этого оказалось недостаточно, перед новым катализатором предусмо­трен дополни­тельный адсорбер из цеоли­та, способный накопить до 60% углеводородов и хра­нить их в течение 30 секунд. Когда выхлопные газы ста­новятся достаточно горячи­ми, цеолит отдает всю накоп­ленную гадость уже вполне прогретому катализатору.

Список использованной литературы:

1. Журнал «За рулём» №2, 1997 год.

2. Журнал «За рулём» №7, 1997 год.

3. Журнал «За рулём» №8, 1997 год.

4. Журнал «За рулём» №9, 1998 год.

5. Журнал «За рулём» №12, 1998 год.

6. Журнал «За рулём» №1, 1999 год.

7. Журнал «За рулём» №2, 1999 год.

8. Журнал «За рулём» №3, 1999 год.

9. Журнал «За рулём» №8, 1999 год.

10. Журнал «Автомобили» №8, 1998 год.

11. Журнал «Авто ревю» №8, 1999 год.

12. Журнал «Клаксон» №5, 1999 год.