Циклический характер работы двс один из его недостатков, но вместе с тем именно благодаря ему в двс реализуются высокие максимальные температуры и давления СОДЕРЖАНИЕ ВВЕДЕНИЕ Циклический характер работы ДВС – один из его недостатков, но вместе с тем именно благодаря ему в ДВС реализуются высокие максимальные температуры и давления, которые до настоящего времени недостижимы для других типов тепловых двигателей. Использование рабочего тела при высоких температурах и давлениях обусловливает высокую экономичность ДВС. Среди других тепловых двигателей поршневые двигатели внутреннего сгорания преобразуют химическую энергию топлива с наивысшим КПД, достигшим в отдельных образцах малооборотных судовых дизелей величины 0,55…0,57. Основными факторами, обеспечивающими силовым установкам с поршневыми двигателями внутреннего сгорания преимущество перед другими типами силовых установок, являются: низкая удельная стоимость (цена/кВт энергии установки); высокая объемная (массовая) энергоемкость (кВт/кг , кВт/м.куб); способность удовлетворять непрерывно ужесточающимся законодательным ограничениям по эмиссии вредных веществ, шуму, экономичности, безопасности; адаптация к рециклированию; резервы дальнейшего развития и адаптация к требованиям развития транспортных средств и энергоустановок. Именно эти показатели качества силовых установок с ДВС дают основания рассматривать их и на ближайшую перспективу как основным видом первичных источников энергии на транспорте и в малой энергетике. Высокие показатели поршневых двигателей достигнуты на фоне острой конкурентной борьбы с другими видами энергоустановок. Так, в 1960-е годы велись интенсивные работы по созданию паровых двигателей. В 1970 годах зарубежные фирмы вкладывали огромные средства на создание автомобильных газотурбинных двигателей и двигателей Стирлинга. Автомобильные газотурбинные двигатели не смогли конкурировать с ДВС по двум основным показателям – стоимости и экономичности. Фирма Форд выполнила подготовку производства и в 1991 г. намеревалась запустить в серию автомобиль с двигателем Стирлинга. Однако фирма не смогла обеспечить сопоставимый показатель энергоустановки с двигателем Стирлинга и с ДВС по стоимости 1 кВт вырабатываемой энергии. В конце ХХ века и начале XXI века усилия автомобилестроительных фирм сосредоточены в основном на создание гибридных силовых установок и силовых установок на топливных элементах. Оба эти направления представляются перспективными и каждая из этих силовых установок имеет свои экологические ниши. Причем наиболее реально в ближайшем будущем широкое внедрение гибридных силовых установок различных схем. Тем более, что к гибридизации силовых установок подталкивает непрерывное увеличение мощности бортовых потребителей электроэнергии. Что же касается силовых установок на топливных элементах, то несмотря на всю их привлекательность по экономичности и экологическим характеристикам, трудно рассчитывать на значительное снижение стоимостных и массогабаритных показателей. Существует множество проблем, требующих решения на пути внедрения топливных элементов. Стоимость крупномасштабного производства топливно-элементных систем, основанного на современном уровне технологии (400 дол/кВт), пока в десять раз превышает стоимость, которую необходимо иметь для конкурентоспособности с поршневыми двигателями внутреннего сгорания. Силовая установка с топливными элементами стоит около $25000, что почти в семь раз дороже обычного ДВС (около 3500$). Автомобиль с топливными элементами стоит более 1000000 $ при существенно большей массе. Кроме того, следует иметь ввиду, что текущие потребности в платине, необходимой для создания топливных элементов, слишком велики и не могут быть обеспечены промышленностью. Стоимость только платины в современной системе с топливными элементами мощностью 50 кВт оценивается величиной 57 долл/кВт. Только эта составляющая стоимости выше величины, которую согласно нормативу, установленному DOE, должна иметь вся силовая установка к 2004 г. (50 долл/кВт). Долговечность работы таких ключевых компонентов, как мембрано-электродная сборка и каталитический топливный процессор, пока не достигла требуемого уровня в 5000 часов. Кроме того, некоторые их компонентов еще не готовы для длительных испытаний. Время подготовки системы с топливными элементами к работе, определяемое топливным процессором, лежит в пределах 6-20 минут, что неприемлемо для владельцев автомобилей. Современные компрессоры не могут обеспечить эффективную подачу воздуха в топливный элемент, а топливные элементы, в свою очередь, не могут принять подачу воздуха компрессором. Это приводит к излишней подаче воздуха в топливный элемент, что , в свою очередь, приводит к дополнительной нагрузке на компрессор, понижению общего КПД системы, увеличению размеров батареи топливных элементов, массы и стоимости. Отдельно следует выделить проблему топливной инфрастуктуры. Применение лучших топлив для топливных элементов, водорода и метанола, требует значительных капиталовложений для создания инфрастуктуры производства и распределения этих топлив, что рискованно до создания эффективных и конкурентоспособных силовых установок с топливными элементами и завоевания ими рынка, что позволит окупить инвестиции. Кроме того, не следует забывать, что производство водорода любым способом в 2-5 раз дороже производства бензина и дизельного топлива. Углеводородные топлива нефтяного происхождения имеют развитую инфрастуктуру производства и распределения, и казалось бы, водород можно получать на борту транспортного средства, но для этого необходимо иметь бортовые топливные процессоры (генераторы водородосодержащего газа) и специализированные топливозаправочные колонки, обеспечивающие зарядку топливом с низким содержанием серы и ароматических соединений. Фундаментальной проблемой в топливно-элементной технологии является получение и хранение топлива, т.е. обеспечение подачи водорода в требуемом для работы количестве. Применение трех топлив, рассматриваемые автомобилестроителями как основные– водород, метанол и бензин, порождает целый ряд серьезных проблем. Так, хотя применение водорода предпочтительно с точки зрения эффективности выработки энергии, поскольку обеспечивает наилучшие экологические показатели и КПД, водород занимает значительный объем на борту, отличается повышенными пожарной и взрывоопасностью. Водород можно хранить на бору автомобиля в сжатом виде в баллонах под давлением 100-900 бар, в криогенной емкости в жидком состоянии при температуре –253 С, в металлгидридных аккумуляторах, а также может храниться в на борту в составе другого топлива и по мере надобности выделяться из этого топлива (электролиз воды, получение водородосодержащего газа в термохимическом реакторе-риформинге и др.). В любом случае хранение или получение водорода на борту из другого носителя составляет массу инженерных проблем, приводящих к необходимости создания на борту устройств, имеющих большие габариты, массу и представляющих опасность в эксплуатации. Получение водорода на борту из метанола, бензина или другого углеводородного топлива приводит к необходимости создания миниатюрной бортовой водородной фабрики, увеличивающей массу автомобиля и усложняющей его системы. Кроме того, получаемый в топливных процессорах водород (водородосодержащий газ) не является химически чистым и для использования в топливном элементе должен быть очищен от примесей, способных вызвать отравление катализатора топливного элемента (окись углерода, соединения серы и др.). Все сказанное дает основания утверждать, что силовые установки с топливными элементами в ближайшее время не смогут конкурировать с установками на базе поршневых двигателей по стоимости, массогабаритным показателям и они найдут весьма ограниченное применение в отдельных областях. Дизели примерно на 30% экономичнее карбюраторных двигателей, а энергозатраты на производство дизельного топлива почти на 10% меньше, чем на производство высококачественного бензина. Если же учесть такие качества дизеля, как возможность создания установок с агрегатной мощностью 40 … 100 тысяч кВт, перспективы увеличения удельной мощности путем применения различных схем наддува, а также меньшую по сравнению с карбюраторными двигателями токсичность выпускных газов, то становятся ясными причины все более широкого применения дизелей. При этом важно отметить, что перспективы дальнейшего роста показателей качества дизелей далеко не исчерпаны. Тем не менее и бензиновые двигатели имеют не менее обнадеживающие перспективы их развития . Экономически целесообразный процентный выход из нефти отдельных видов топлив (керосин, бензин, дизельное топливо, топлива широкого фракционного состава и тяжелые топлива) делает бессмысленной сплошную дизелизацию в энергетике и на транспорте и оставляет актуальной проблему совершенствования бензиновых двигателей. 1. ДИЗЕЛИ НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ Дизели нового поколения имеют следующие неотъемлемые черты: высокий регулируемый наддув с промежуточным охлаждением наддувочного воздуха; эффективные системы впрыскивания топлива с электронным управлением форсунками, обеспечивающие многоразовый впрыск с давлениями 180 МПа и более, с требуемыми характеристиками предварительных, основных и дополнительных фаз впрыска; четырехклапанные головки цилиндра с двумя впускными каналами (тангенциальным и вихревым) с регулируемой заслонкой в вихревом канале; агрегаты наддува с возможностью регулирования турбин и компрессоров; переменные управляемые фазы газораспределения; центрально расположенные форсунки с электронным управлением; высокие параметры цикла (Pz= 180-200) бар; низкий уровень механических потерь; систему рециркуляции охлаждаемых выпускных газов; гибкую интегрированную систему электронного управления топливоподачей, воздухоснабжением, фазами газораспределения и системой нейтрализации выпускных газов, что обеспечивает высокую эксплуатационную топливную экономичность и требуемые характеристике по токсичности выпускных газов и уровню виброакустического излучения. Поскольку в дизелях 45…50% теплоты, выделившейся при сгорании топлива, уносится с выпускными газами и рассеивается в окружающем пространстве теплообменниками системы охлаждения, то широко используется (особенно в судовых, тепловозных и стационарных двигателях) различные системы вторичного использования теплоты (силовые газовые турбины, другие типы расширительных машин, и др.). В комбинированных силовых установок с дизелем и системами вторичного использования теплоты коэффициент использования теплоты достигает 80. .. 90%. Совершенствование показателей качества транспортных дизелей в последние десятилетия XX века происходило в направлении непрерывного повышения их удельной мощности, снижения выбросов токсичных веществ с отработавшими газами, ограничения уровня виброакустического излучения и повышения надежности. Главным средством для повышения удельной мощности по-прежнему являлся наддув дизелей и в меньшей степени удельная мощность увеличивалась путем повышения частоты вращения. Наддув двигателей обеспечил транспортным дизелям высокие мощностные показатели, превосходные показатели по маневренности ( прежде всего улучшил их внешние характеристики), а повышение частоты вращения легких дизелей до 4000-5000 мин -1 несколько сократил разрыв в литровой мощности между бензиновыми двигателями и дизелями. Характерно, что фирмы для достижения высоких показателей решительно пошли на внедрение технических решений, связанных со значительным усложнением конструкции двигателей и их систем. В конструкции двигателей внедрены системы воздухоснабжения с управляемым вихревым движением заряда цилиндра, агрегаты наддува с разнообразнейшими средствами регулирования турбин и компрессоров, управляемые фазы газораспределения, интегрированные электронные системы управления топливоподачей, воздухоснабжением, нейтрализации выпускных газов, бортовые системы диагностирования и др. Произошло значительное форсирование двигателей по параметрам рабочего процесса. Например, максимальное давление сгорания в автомобильных дизелях достигло 16-18 МПа и выше, создается топливная аппаратура с максимальным давлением впрыскивания 160-200 МПа. При этом достижение высоких показателей дизелей по показателям функционирования, экологическим показателям и надежности неразрывно связано с повышением качества изготовления деталей, применением новых конструкционных и композитных материалов. Эта политика является единственно правильной в условиях жесточайшей конкуренции на рынке сбыта, поэтому все фирмы ведут интенсивный поиск новых путей в создании двигателей для автомобилей и энергоустановок XXI века, объединяя свои усилия на государственном и международном уровнях с привлечением новейших технологий. В качестве основных энергетических установок для автомобилей нового поколения рассматриваются двигатели внутреннего сгорания с непосредственным впрыскиванием топлива в цилиндр. Десять лет назад количество дизелей в автомобилестроении Западной Европы составляло около 14%. В настоящее время эта величина выросла до 45 %, что объясняется внедрением топливной системы с непосредственным впрыском топлива, разработкой для дизелей фирмой БОШ электронной системы управления Motronic MED7, применение которой уменьшило расход топлива на 15-40% (особенно на частичных нагрузках). Стимулируют широкое применение дизелей и выбросы CO2 , которые должны быть уменьшены со 186 г/км в 1998 г. до 140 г/км в 2008 г. Центральным при разработке дизелей нового поколения является достижение ведущих показателей качества – удовлетворение перспективным требованиям по удельной мощности (50-60 кВт/л), экономичности (185-195 г/(кВт.ч)), экологическим показателям выброс токсичных веществ не хуже Евро-4, маневренности и надежности, а также удовлетворение ряду дополнительных требований, вытекающих из требований старшей системы – транспортного средства. К числу этих требований следует отнести низкую удельную массу, приемлемые габаритные показатели, стоимость изготовления, а также требования по обеспечению комфорта и безопасности. Видное место в обосновании концепции транспортного двигателя принадлежит средствам снижения эмиссии токсичных веществ двигателями. Все известные на сегодня методы можно разделить на три группы. К первой группе следует средства, обеспечивающие уменьшение образования токсичных веществ в двигателе (совершенствование конструкции двигателя, систем топливоподачи, процессов смесеобразования и сгорания, турбонаддув и управляемое воздухоснабжение , рециркуляция отработавших газов, комплексное электронное управление топливоподачей и воздухоснабжением, рециркуляция отработавших газов). Ко второй группе относят мероприятия химмотологического характера, такие как уменьшение содержания серы в топливе (до величин 50 ppm и в перспективе до величины 30 ppm), ограничение содержания в топливе ароматических углеводородов (не более 10%), увеличение цетанового числа, обогащение топлива кислородом, применение антидымных и других присадок к топливу, применение смазочных материалов с повышенными экологическими свойствами. Третья группа мероприятий связана с нейтрализацией вредных веществ в выпускном коллекторе (фильтры твердых частиц, каталитические окислительные и восстановительные нейтрализаторы). К этой же группе следует отнести и средства ограничения акустического излучения (глушители, капсулирование, экранирование). Качество смесеобразования в дизелях с непосредственным впрыскиванием топлива определяется интенсивностью вихревого движения заряда в камере сгорания, уровнем мелкомасштабной турбулентности и характером распространения топливных струй в камере сгорания. Движение воздушного заряда в камере зависит от взаимодействия потоков, создаваемых во впускных каналах и потока от вытеснительного движения поршня, а также от возмущений, вносимых в движение заряда топливными струями. Известно, что требуемое по условиям смесеобразования и показателей токсичности вихревое отношение уменьшается с ростом диаметра цилиндра и в диапазоне диаметра цилиндра 80-100 мм лежит в пределах 3,0-1,0. Большое значение для смесеобразования и последующего сгорания имеет камера в поршне. Для непосредственного впрыскивания наибольшее распространение получила омегообразная камера сгорания, выполненная с таким расчетом, чтобы 70-80% объема камеры сгорания были сосредоточены в поршне. Предварительная оптимизация формы камеры сгорания должны выполняться методом компьютерной оптимизации с моделированием движения потоков рабочего тела и распространением топливных струй. Существенное значение на качество смесеобразования имеют соотношения характерных размеров камеры в поршне (диаметра горловины камеры к диаметру поршня и диаметра горловины к максимальному диаметру камеры в поршне). Однако ключевым моментом в организации качественного рабочего процесса является топливоподача и согласование характеристик топливных факелов с формой камеры сгорания и аэродинамической обстановкой. Наибольшая эффективность при решении комплексной проблемы повышения экономичности, снижения токсичности и улучшения внешней характеристики может быть достигнута при совместном управлении топливоподачей и воздухоснабжением. Это управление позволяет целенаправленно изменять коэффициент избытка воздуха путем согласования подачи воздуха с величиной цикловой подачи топлива в широком диапазоне скоростных и нагрузочных режимов работы дизеля. Увеличение давления наддува k с низкими α дает возможности уменьшать угол опережения впрыскивания с целью снижения эмиссии оксидов азота NOx без заметного снижения экономичности и увеличения выбросов CO и CHx и сажи. Требуемый закон управления давлением наддувочного воздуха может быть реализован с использованием различных способов воздействия на процессы воздухоснабжения: регулирование компрессора поворотными лопатками на входе и выходе, дросселирование воздуха после компрессора; выпуск в атмосферу части сжатого воздуха; дросселирование воздуха на входе в компрессор; подвод дополнительной энергии к турбокомпрессору; перепуск части сжатого в компрессоре воздуха в турбину; дросселирование газа на выходе из турбины; регулирование турбины поворотом сопловых лопаток (РСА); регулирование проходного сечения турбины; перепуск части газов мимо турбины; применение дополнительной (форсажной) камеры сгорания перед турбиной; управляемый привод клапанов. Эти способы имеют различную эффективность, надежность и технические трудности при реализации. Наименьшую эффективность имеют способы управления с применением дросселирования воздуха на входе в компрессор и газа на выходе из турбины. Это обусловлено значительными потерями энергии при дросселировании и соответствующим снижением экономических и экологических показателей дизеля. В частности, дросселирование на выходе из турбины приводит к ухудшению очистки цилиндров, снижению α, повышению температур сгорания и увеличению содержания основных токсичных компонентов в выпускных газах. Наибольшей сложностью и необходимостью тщательной отработки на надежность отличаются способы с применением поворотных лопаток диффузора компрессора и соплового аппарата турбины. Кроме того, этим способам присущи утечки воздуха и газа через зазоры и возможность закоксовывания лопаток РСА. Тем не менее в последнее время ряд зарубежных фирм разработали для транспортных двигателей турбины с РСА либо турбины с регулируемым сечением соплового аппарата (Гаррет, ККК, Холсет, Хино, Альфа Ромео, Швитцер, Аэродайн Даллас и др.). Внедрение турбокомпрессоров с таким способом регулирования позволило снизить эксплуатационные расходы топлива на 7-12%. Системы регулирования воздухоснабжения перепуском части наддувочного воздуха перепуском на вход турбины или выпуском в атмосферу сравнительно просты, но нашли ограниченное применение вследствие потери энергии на сжатие перепускаемого воздуха. Способ перепуска части выпускных газов мимо турбины оказался наиболее простым в реализации для дизелей с невысоким уровнем наддува ( k =1,5 - 2,0) и позволяет регулировать частоту вращения ротора турбокомпрессора и давление наддува в довольно широких пределах, однако по эффективности он уступает способу регулирования турбины при помощи РСА. Подвод дополнительной энергии к ротору турбокомпрессора и установка форсажной камеры сгорания перед турбиной ранее находили применение в основном только в дизелях большой мощности с высоким наддувом ( k >2,0). Большое внимание при разработке системы воздухообеспечения имеет согласование характеристики турбокомпрессора с гидравлической характеристикой дизеля. При этом для транспортных дизелей стремятся подобрать турбокомпрессор, максимальный КПД которого достигается на режимах с n=0,4-0,7 n nom . Формирование базовых характеристик, обеспечиваемых регулируемым турбокомпрессором и системой топливоподачи, управляемой электронным регулятором с регулированием угла опережения впрыскивания, позволяет снизить среднеэксплуатационный расход топлива на 1,5%, уменьшить эмиссию оксидов азота NOx на 45%, эмиссию СО на 30%, эмиссию СН на 23%(по сравнению с характеристиками дизеля с нерегулируемым турбокомпрессором) . Хорошие результаты дает применение так называемой комбинированной системы наддува, в которой сочетаются турбонаддув и инерционный наддув (использование газодинамических явлений во впускном трубопроводе). В этом случае длина, диаметр и форма впускного трубопровода и настройка турбокомпрессора выполняются так, чтобы на наиболее важном режиме работы двигателя обеспечивался максимальный коэффициент наполнения. Реализация данного способа в дизелях «РАБА-МАН» , «Заурер», «Хино» и др. обеспечивает снижение расхода топлива на 5-7%. Имеются реализации двух и трехрежимной (ступенчатой) газодинамической настройки длины и формы впускных каналов, например, в двигателях фирмы BMW и Фольксваген. Общеизвестно важнейшее влияние на рабочий процесс, эффективные и экологические показатели дизелей параметров работы топливоподающей аппаратуры (ТПА). К ней предъявляется не менее двух десятков обязательных требований, несоблюдение которых не обеспечивает конкурентоспособность дизелей. В ограниченных рамках данной работы остановимся в основном на двух качествах ТПА, определяющих долговременные и важнейшие тенденции развития дизелестроения и производства ТПА. Характерно, что среди полутора десятков тенденций дизелестроения ведущие специалисты MAN, Mercedes-Benz, Scania на 2 и 3 место поставили именно эти два качества ТПА: электронное регулирование топливоподачей, двигателем и интенсификация впрыскивания . Специалисты фирмы R.Bosch среди десяти методов обеспечения норм Euro-1...4 пять относят к ТПА и на первом месте те же ее свойства. Повышение давления впрыскивание - уникальный по универсальности способ воздействия на рабочий процесс дизеля, позволяющий одновременно улучшить все важные и противоречивые по методам достижения результата показатели дизеля: экономичность, мощность и максимальное давление цикла, жесткость сгорания; выбросы частиц, углеводородов и окислов азота. В последние десять-двадцать лет интенсивность впрыскивания в дизелях всех типов существенно возросла. В первую очередь это относится к быстроходным, автомобильным дизелям. Если в период 1930... 1970 гг. максимальное давление впрыска (Рв max ) в них составляло 25... 45 МПа, и изменялось со временем мало, то в период 1975...2006 гг. во вновь разрабатываемых системах Рв max поднялось до 70...130 МПа, а в некоторых системах до 180 МПа (а в системах с насос форсунками – до 250 МПа). Этот скачок, конечно, был обязан энергетическому кризису 70-х годов и последующим стремлением снизить токсичность ОГ. В среднеоборотных дизелях рост Рв max шел более равномерно и в начале 70-х привычным уровнем считался более высокий - 70...100 МПа. В настоящее время ведущие фирмы предлагают ТНВД с давлениями 150...180 МПа. В малооборотных дизелях картина менее выраженная - за двадцатилетие уровень Рв max поднялся с 70...80 до 90...100 МПа, что объяснялось скорее стремлением использовать все более тяжелые топлива. Таким образом к 1996 г. уровень Рв max для всех типов современных дизелей сблизился, хотя способы его обеспечения и конструктивные решения имеют отличия. Значительные резервы в повышении показателей качества двигателей кроются в совершенствовании систем управления двигателями. Замена механического регулирования электронным позволяет проводить глубокую оптимизацию параметров работы дизеля и таким образом значительно улучшать его потребительские качества. В качестве параметров управления дизелем ранее рассматривали цикловую подачу и опережение. В настоящее время системы управления значительно расширили перечень управляемых параметров, включив в них давление и характеристики впрыскивания, сечения распыливающих сопел, количество и фазы впрысков, параметры воздухоснабжения, фазы газораспределения и др. Оптимальные значения этих параметров зависят большого числа факторов, учесть которые удается только при отказе от механических, гидравлических и пневматических регуляторов. Электронное управление позволяет решить одну из наиболее трудных проблем создания газодизеля , обеспечивая гибкое управление подачей обоих топлив и реализуя для улучшения полноты сгорания бедных гомогенных смесей смешанное количественное и качественное регулирование мощности, а также за счет повышения точности и гибкости управления экономию жидкого топлива. 2. БЕНЗИНОВЫЕ ДВИГАТЕЛИ й. В последнее время существенно вырос КПД бензиновых двигателей нового поколения с распределенным впрыском топлива во впускной трубопровод и с непосредственным впрыском бензина в цилиндр. Повышение экономичности было достигнуто благодаря переходу на четырехклапанное газораспределение с двумя впускными каналами (тангенциальным и вихревым) с регулируемой заслонкой в вихревом канале, повышению турбулентности заряда в цилиндре, повышению степени сжатия двигателей до 10,5…12,0, расширению пределов эффективного обеднения смеси и переходу на бездроссельное регулирование (применение управляемых фаз газораспределения, в первую очередь, момента закрытия и высоты подъема впускных клапанов ) и качественное регулирование мощности (двигатели с впрыском топлива непосредственно в цилиндр), агрегаты наддува с возможностью регулирования турбин и компрессоров. Повышению показателей двигателей способствовали низкий уровень механических потерь, гибкая интегрированную систему электронного управления топливоподачей, воздухоснабжением, фазами газораспределения и системой нейтрализации выпускных газов, что обеспечивает высокую эксплуатационную топливную экономичность и требуемые характеристике по токсичности выпускных газов и уровню виброакустического излучения. Известно, что фазы газораспределения оптимальны только для одного режима и этот факт использовали для улучшения внешних характеристик двигателей. Соответствующим выбором для каждого скоростного и нагрузочного режима фаз можно добиться наилучших условий протекания рабочего процесса и в итоге получить снижение токсичности и повышение экономичности. Это и лежит в основе создания двигателей с управляемыми фазами газораспределения. Работы над созданием таких двигателей проводились давно. Первая система с регулируемыми фазами впуска и выпуска была запатентована основателем фирмы Renault Луи Рено в 1902 г. Интерес к управляемым фазам резко усилился в последнее время и многие фирмы имеют двигатели с достаточно эффективными механизмами изменения фаз газораспределения. Фирма Hydraulic-Ring c 1995 г. поставляет фирме Audi устройство для регулирования угла поворота впускного кулачкового вала . Ведущие автомобильные фирмы стали широко применять системы управляемого газораспределения. Так, японские фирмы для своих бензиновых двигателей применяют VTEC (фирма Honda), VVT-I и VVT-L (фирма Тойота), позволяюшие в широких пределах изменять фазы открытия и закрытия клапанов и ступенчато изменять их подъем . Фирма BMW применяет механическую систему регулирования фаз газораспределения, основанную на бесступенчатом сдвоенном механизме VANOS и механизме Valvetronic, позволяющие менять фазы, высоту подъема клапана и продолжительность его открытия, фирма Porsche применяет сиcтему Vario Cam, фирма Meta VVN System разработала непрерывно регулируемый механический привод клапанов, который обеспечивает полностью переменные фазы газораспределения, обеспечивающие для бензиновых двигателей бездроссельное регулирование мощности двигателя . Однако наибольшими функциональными возможностями и эффективностью воздействия на показатели двигателей обладает система с электромагнитным приводом клапанов и с электронным управлением (EVT), разработанная фирмой Siemens Automobiltechnik. Она позволяет реализовывать различные циклы, такие как управляемое запаздывание закрытия впускного клапана (цикл Аткинсона), раннее закрытие впускного клапана (цикл Миллера), организовывать большое перекрытие клапанов, изменять высоту подъема клапанов, организовывать процесс газообмена с повышенным содержанием остаточных газов (цикл с внутренней рециркуляцией остаточных газов). Каждый клапан в системе EVT имеет датчик положения, электромагнитный исполнительный механизм и индивидуально управляется электронной системой управления . Хорошие результаты в бензиновых двигателях дает инерционный наддув (использование газодинамических явлений во впускном трубопроводе). В этом случае длина, диаметр и форма впускного трубопровода и настройка турбокомпрессора выполняются так, чтобы на важных режимах работы двигателя обеспечивался максимальный коэффициент наполнения. Имеются реализации двух и трехрежимной (ступенчатой) газодинамической настройки длины и формы впускных каналов, например, в двигателях фирмы BMW и Фольксваген, обеспечивающие снижение расхода топлива на 5-7% и формирование благоприятной внешней характеристики. Основным способом повышения литровой мощности бензиновых двигателей, как и дизелей, является наддув. Для двигателей с литровой мощностью 65-70 кВт/л все чаще применяют одноступенчатый наддув, а для двигателей с литровой мощность применяют двухступенчатый наддув. Перспективно применение в бензиновых двигателях турбокомпрессоров с встроенным электродвигателем для подкрутки турбокомпрессора на некоторых режимах для получения большего давления наддува и расхода воздуха или системы наддува с приводным нагнетателем и свободным турбокомпрессором. Кроме повышения экономичности бензиновых двигателей в последние годы достигнуто значительное (на 90 … 95%) снижение токсичных выбросов с отработавшими газами. Это было обеспечено прежде всего массовым внедрением электронных систем впрыска бензина, микропроцессорных систем управления рабочих процессов с обратной связью, поддерживающих в так называемых стехиометрических двигателях состав смеси в узких пределах (α=0,995 … 1,005), либо в двигателях с непосредственным впрыском в цилиндр, обеспечивающих изменение коэффициента избытка воздуха в широких пределах (α=0,9 … 4,0). Эксплуатационная экономичность транспортных двигателей повышается, если их мощность используется в условиях оптимальной загрузки. С этой целью создаются двигатели с отключением части цилиндров при уменьшении нагрузки. Для уменьшения механических потерь на отдельных режимах отключают водяные насосы, вентиляторы и другие агрегаты. Эксплуатационный расход топлива ДВС можно существенно уменьшить путем применения интегрированных электронных систем управления двигателем и всей силовой установкой машины, в составе которой работает двигатель. Такие системы оптимизируют не только работу двигателя и систем нейтрализации выпускных газов, но и совместную работу двигателя и автоматической коробки передач, обеспечивают поддержание наиболее рациональной скорости движения автотранспортного средства, а также выполняют непрерывное бортовое диагностирование технического состояния двигателя и его систем. Основным способом увеличения удельной мощности двигателей всех типов является повышение давления воздуха на входе в цилиндр. Поэтому большое внимание уделяется совершенствованию систем воздухоснабжения, созданию сложных регулируемых систем наддува, совершенствованию агрегатов наддува, повышению их КПД, улучшению и согласованию их характеристик с характеристиками двигателя. 3. АЛЬТЕРНАТИВНЫЕ ТОПЛИВА Наряду с повышением экономичности и улучшением экологических характеристик ДВС весьма актуальной задачей является расширение сортамента применяемых видов топлив и улучшение их качества. Прежде всего речь идет о более широком использовании двигателями природного и попутного газа. При работе на газовом топливе уменьшается выброс в атмосферу токсичных веществ и примерно вдвое сокращается выброс углекислого газа СО2 . Следует отметить возможность более широкого использования синтетических топлив, получаемых из угля и горючих сланцев. Эти топлива могут быть получены как промышленным способом, так и на борту транспортных средств в специальных газогенераторах. Продолжаются работы по использованию в дизелях водноугольных и топливноугольных суспензий. Запасы газа, нефти, каменного угля и сланцев не возобновляются, поэтому наибольший интерес представляют топлива из возобновляемых источников, такие как биогаз, спирты (этанол, метанол), эфиры, растительные масла и топлива, получаемые из них. Исследования работы ДВС на спиртовом и спиртосодержащем топливе позволили установить, что меньшая теплота сгорания спиртосодержащих топлив компенсируется более высоким КПД двигателя, достигаемым повышением степени сжатия. Характерно, что двигатели с принудительным воспламенением, работающие на спиртовых топливах (например, на метаноле), имеют лучшие экологические характеристики: меньшие выбросы оксида углерода СО и углеводородов СНx , вследствие возможности работы на обедненных смесях, а пониженная температура продуктов сгорания способствует меньшим выбросам с выпускными газами оксидов азота. Значительный интерес в качестве моторного топлива представляет диметиловый эфир СН3 ОСН3 . Его можно получать из веществ, содержащих углерод (уголь, природный газ и биомасса). Технологический процесс получения диметилового эфира аналогичен процессу получения метанола. Уникальность этого топлива, близкого по своим физическим свойствам к свойствам сжиженного газа (пропан-бутана), заключается в том, что его можно применять в дизелях с малой модернизацией топливной аппаратуры. При этом работа дизеля характеризуется низким уровнем шума, минимальным уровнем выбросов сажи, низким уровнем выбросов оксидов азота, углеводородов. Немногие альтернативные топлива обладают аналогичными экологическими характеристиками. И только по одному компоненту диметиловый эфир уступает другим топливам – по выбросам СО. Впрочем, этот компонент в выпускных газах на 85…90% устраняется нейтрализатором в выпускной системе. С точки зрения теплотворной способности и эмиссии токсичных компонентов в выпускных газах водород является самым лучшим из возможных альтернативных топлив. Проблемы, относящиеся к применению водорода в качестве топлива для ДВС, связаны с его получением, распределением и хранением его на борту транспортных средств. Себестоимость способов получения водорода электролизом воды, гидрированием угля, частичным окислением углеводородных топлив в пересчете на энергетическую единицу пока в 2-10 раз выше себестоимости получения природного газа и традиционных жидких топлив. Кроме поиска альтернативных топлив необходимо отметить и непрерывное повышение требований к существующим моторным топливам. Обеспечение эффективной работы нейтрализаторов требует применения топлив с низким содержанием серы (не более 50 частей серы на миллион других частей), запрещения применения этилированных бензинов, сокращения содержания ароматических углеводородов в топливе и др. 4. Улучшение экологических показателей ДВС. Экологические показатели ДВС определятся выбросом токсичных веществ с выпускными газами, испарениями топлив и масел (химическое загрязнение окружающей среды), шумом и вибрациями, сопровождающими работу двигателей (виброакустическое загрязнение), а также тепловым загрязнением окружающей среды. По оценкам исследователей в структуре общего загрязнения окружающей среды на долю ДВС, если учесть загрязнение в процессе добычи нефти, газа и другого сырья и переработки их на моторные топлива, приходится более 1/3 суммарного загрязнения. Основными составляющими химического загрязнения окружающей среды при работе ДВС являются оксиды азота NOx ( в основном NO и NO2 ), оксид углерода CO , сероводород H2 S , углеводороды CHx ( в том числе полицикличесие ароматические углеводороды, большинство из которых являются канцерогенами), альдегиды RCHO и твердые частицы (ТЧ ). К числу твердых частиц относят сажу (основной компонент ТЧ ), минеральные частицы из воздуха и топлива (пыль и зола), металлические частицы, образующиеся в процессе износа поверхностей трения ЦПГ, компоненты масла, присадок к топливу и др., т.е. все, что может быть задержано на фильтрующем материале. В последнее время все острее становится проблема так называемых парниковых газов. Ярким представителем парниковых газов является углекислый газ CO2 , на долю которого относят около половины парникового эффекта. Экологические показатели ДВС имеют большое значение при выборе их в качестве источников энергии для агрегатов, работающих в изолированных объемах (шахты, рудники, животноводческие помещения, парники и др.) и плохо вентилируемых пространствах (длинные плохо вентилируемые тоннели, глубокие открытые карьеры и др.). Поэтому важно уметь правильно оценивать выброс вредных веществ, виброакустическое и тепловое загрязнения от ДВС при работе на различных режимах. Для оценки токсичноси ДВС при работе на различных режимах используют характеристики токсичности. Количество оксидов азота и углеводородов на таких характеристиках представляют в приведенных к CO количествах (по величинам предельно допустимых концентраций в соответствии с санитарными нормами). Анализ исследовательских и конструкторских работ по улучшению показателей токсичности ДВС позволил наметить наиболее перспективные направления: - уменьшения образования токсичных веществ в цилиндре; - разработка способов и устройств нейтрализации вредных веществ. Наиболее рациональным путем уменьшения загрязняющего воздействия ДВС на окружающую среду является использование способов , уменьшающих образование токсичных веществ. Если же этими способами не удается достигнуть приемлемого уровня токсичности, то в выпускной системе для поглощения или нейтрализации вредных веществ устанавливают специальные устройства – нейтрализаторы. В этом случае усложняется и удорожается двигатель, а также могут незначительно ухудшиться его эффективные показатели. Для уменьшения загрязняющего воздействия ДВС на окружающую среду прежде всего необходимо улучшать их экономичность. С уменьшением удельного расхода топлива при прочих равных условиях теоретически пропорционально должно уменьшаться и количество токсичных компонентов и CO2 в выпускных газах. Однако следует учесть, что с ростом КПД ДВС выделение NOx может расти более интенсивно, чем уменьшение CO , CHx , твердых частиц и других продуктов неполного сгорания, т.е. повышение экономичности может привести к ухудшению показателей токсичности за счет увеличения выбросов токсичных оксидов азота. Большие резервы для уменьшения токсичности выпускных газов ДВС предоставляет совершенствование протекания рабочего процесса ДВС. Привлекательность этого пути улучшения экологических характеристик ДВС состоит в том, что улучшение протекания рабочего процесса, как правило, сопровождается и повышением эффективности функционирования ДВС, за исключением большинства средств ограничения выбросов токсичных веществ. Для снижения количества токсичных веществ в продуктах сгорания необходимо улучшать качество смесеобразования и сгорания, обеспечивать работу двигателя на обедненных смесях, снижать объем смеси или топливных факелов в зонах гашения пламени ( в пристеночных зонах камеры сгорания), подбирать рациональные в соответствии с режимом работы углы опережения зажигания смеси или впрыскивания топлива, применять рециркуляцию выпускных газов. Улучшение смесеобразования и сгорания приводит к снижению дымности выпускных газов и содержания в них CO и CHx . Минимальное содержание CO и CHx в выпускных газах получается при экономичной регулировке , т.е. при a = 1, 05 - 1,15. При работе двигателя с этой регулировкой температура сгорания достаточно высокая и в зоне продуктов сгорания имеется большое количество свободного кислорода. По этим причинам в выпускных газах наблюдается максимальное содержание NOx (соответствует a = 1,15). В связи с эти для уменьшения образования основных токсичных компонентов – NOx , CO и CHx в двигателях с принудительным воспламенением смеси ( с распределенным впрыскиванием бензина) полезно применение расслоение смеси, при котором на первом этапе (в зоне расположения свечи) сгорание происходит в зоне с обогащенной смесью, а на втором этапе – в зоне с обедненной смесью ( в основном объеме камеры сгорания). Эта же идея расслоения заряда лежит и в основе создания процесса в двигателях с принудительным зажиганием и непосредственным впрыскиванием легкого топлива в цилиндр. При этом появляется возможность ослабить ограничения на детонационные свойства топлива и перейти к качественному регулированию мощности двигателя, исключив в основном диапазоне режимов работы двигателя регулирование при помощи дроссельной заслонки и отрицательные последствия дросселирования – повышенную работу насосных ходов при прикрытой дроссельной заслонке, а также полностью исключить последствия образования топливной пленки во впускном коллекторе, неизбежной при карбюраторном способе образования или при центральном впрыскивании легкого топлива. Эта концепция развития бензиновых двигателей, работающих на ультрабедных смесях с повышенными степенями сжатия без детонации позволит в ближайшее время сделать прорыв в создании эффективных малотоксичных и высокоэкономичных бензиновых двигателей. Изменение угла опережения зажигания в двигателях с принудительным воспламенением слабо влияет на содержание CO 2 и CO в выпускных газах. Концентрация же CHx при уменьшении угла опережения зажигания уменьшается и лишь при чрезмерно позднем зажигании возможно увеличении CHx . Концентрация NOx резко снижается при работе двигателя в диапазоне a > 1,0 с уменьшением угла опережения зажигания, что главным образом связано с уменьшением максимальной температуры цикла. При работе же в диапазоне a < 1,0 образование NOx ограничивается недостатком свободного кислорода в зонах сгоревшей смеси. По этой причине концентрация NOx практически не изменяется с изменением угла опережения зажигания. Таким образом, в двигателях с принудительным воспламенением смеси можно существенно уменьшить токсичность ДВС, подбирая рациональные в отношении токсичных веществ в выпускных газах состав смеси и угол опережения – зажигания. В дизелях средняя по объему камеры сгорания температура сгорания выше, чем в двигателях с принудительным зажиганием. Однако локальные температуры в камере сгорания достаточно высокие, что в условиях большого избытка кислорода способствует образованию NOx . Поэтому при одном и том же коэффициенте избытка воздуха в зависимости от качества протекания смесеобразования содержание одного из основных токсичных компонентов в выпускных газах NOx может существенно изменяться. Для уменьшения содержания NOx в выпускных газах дизеля следует выравнивать распределение температуры по объему камеры и снижать среднемассовую температуру. Эффективным средством выравнивания распределения температуры по объему камеры сгорания является турбулизация воздушного заряда и улучшение распределения топлива по объему камеры сгорания (повышение давлений впрыскивания и оптимизация распределения топливных факелов по объему). Характерно, что это мероприятие не скажется на термодинамическом совершенстве цикла, так как термодинамический КПД однозначно определяется величиной среднемассовой температуры. Снижению среднемассовой температуры заряда во время горения способствуют рециркуляция отработавших газов и охлаждение воздушного заряда на впуске или внутреннее охлаждение в цилиндре (например, реализация цикла Миллера). Другой токсичный компонент в выпускных газах – сажа – образуется в зонах камеры сгорания с сильно переобогащенной смесью в результате термического распада топлива под действием высокой температуры. Сажа загрязняет легкие человека, но главная ее опасность состоит в том, что она является адсорбентом других токсичных веществ, в том числе ПАУ, например, бенз(а)пирена, являющегося сильнейшим канцерогеном. Тем самым сажа увеличивает продолжительность воздействия опасных веществ на организм человека. В процессе расширения происходит частичное выгорание сажи. В отличие от дизелей в двигателях с принудительным воспламенением, работающих при a > 0,7 сажа образуется в ничтожных количествах. И только при переходе к непосредственному впрыскиванию бензина в цилиндр вероятность возникновения сажи увеличивается. Таким образом, содержание сажи в выпускных газах дизелей можно существенно снизить ограничением ее образования и содействием ее выгорания в процессе расширения путем улучшения смесеобразования и сгорания. Дизели с разделенными камерами сгорания ( предкамерные и вихрекамерные) менее токсичны, чем дизели с неразделенными камерами сгорания, так как в них органически реализуются принципы расслоения заряда и повышенной турбулизации, способствующие уменьшению выброса оксидов азота NOx . Однако вследствие повышенных тепловых и гидравлических потерь они менее экономичны, поэтому их применение дизелей с разделенными камерами рационально только там, где экологические требования являются решающими. Эффективным методом снижения токсичности выпускных газов является рециркуляция отработавших газов, заключающаяся в возвращении части отработавших газов из выпускной системы на впуск и смешивании их со свежим зарядом (рис.4.1). Этот метод основан на разбавлении поступающего в цилиндр воздуха химически инертными газами. Наибольший эффект при разбавлении обеспечивают высокотеплопроводные газы, такие как CO2 . Снижение токсичности при рециркуляции ОГ обусловлено как воздействием на процессы горения, так и снижением общей массы выпускных газов, выбрасываемых в атмосферу, поскольку часть газов снова возвращается в двигатель. Воздействие рециркуляции на процессы горения заключается в задержке начала сгорания и замедлении его развития (флегматизация процессов горения), что приводит к снижению температур сгорания и уменьшению эмиссии оксидов азота NOx . При этом снижаются и выбросы альдегидов. Наиболее эффективна рециркуляция охлажденных газов, так как при перемешивании с охлажденными газами температура смеси воздуха с рециркулируемыми газами получаются ниже. Рис. 4.1. Система рециркуляции выхлопных газов Перепуск обычно осуществляют на режимах работы двигателя, на которых в цилиндре имеется достаточное количество кислорода, поэтому на холостых нагрузках степень рециркуляции достигает 55%, а на режимах с нагрузкой 75..80% степень рециркуляции уменьшается до 0. Регулирование доли доли перепускаемых газов осуществляется электронными системами управления РОГ с учетом скоростного и нагрузочного режима работы с учетом давления и температуры окружающего воздуха, свойства применяемого топлива. Применение РОГ с электронным управлением клапана рециркуляции приводит к снижению выбросов NOX на 30-75% при работе по 13-ступенчатому циклу. Следует отметить, что надежность двигателя с системой РОГ снижается при работе на высокосернистых топливах вследствие рециркуляции вместе с отработавшими газами серной кислоты, способствующей интенсификации коррозионного износа. Увеличению износа двигателя способствует и циркуляция частиц сажи вместе с отработавшими газами. Углеводороды CHx образуются в зонах камеры сгорания с невысокой температурой (пристеночные зоны), с чрезмерно обогащенной или обедненной смесью, а также при пропусках воспламенения смеси и при испарениях топлива и масла. Количество углеводородов, выбрасываемое в атмосферу, сравнительно невелико, за исключением двухтактных двигателей с внешним смесеобразованием и большими коэффициентами продувки. При неблагоприятных условиях несгоревшие углеводороды образуют смог. Уменьшение содержания углеводородов в выпускных газах достигается обеспечением герметичности топливной аппаратуры, обеспечением полноты сгорания, ликвидацией пропусков сгорания, выбором конструкции камеры сгорания. Для понижения концентрации CHx в выпускных газах часто используют термические нейтрализаторы, в которых организуется догорание несгоревших углеводородов CHx , CO и H2 . В термических нейтрализаторах обезвреживание газов состоит в окислении при высоких температурах CO и C Hx . При невысоких температурах (150-200°С) в термических нейтрализаторах происходит преобразование NO в NO2 , а токсичность NO2 существенно ниже, чем токсичность NO. Термические нейтрализаторы выполняют в виде теплоизолированных камер сгорания и устанавливают в выпускной системе по возможности ближе к выпускным каналам двигателя. В каталитических нейтрализаторах для ускорения протекания окислительных или восстановительных реакций применяют катализаторы, в качестве которых используют металлы или их окислы: платина, палладий, окислы меди, никеля и др. Выпускные газы пропускают через слой катализатора. Наличие сажи в выпускных газах приводит к забиванию катализатора. С этим борются, устанавливая сажевые фильтры перед нейтрализатором или путем периодического выжигания сажи в нейтрализаторе. Опасен для каталитических нейтрализаторов свинец, дезактивирующий нейтрализатор и сера. Поэтому при применении каталитических нейтрализаторов в двигателях используют неэтилированные бензины с низким содержанием серы. В жидкостных нейтрализаторах токсичные вещества растворяются или связываются при их прохождении через воду или водные растворы определенных веществ. После прохождения через эти нейтрализаторы выпускные газы содержат жидкость, которая удаляется в специальных фильтрах. В жидкостных нейтрализаторах задерживается до 60 … 80% сажи и около 30% NOx . Жидкостные нейтрализаторы громоздки и требуют частой смены фильтрующей жидкости. В настоящее время наибольшее распространение получили трехкомпонентные нейтрализаторы. Они позволяют достигнуть высокой степени очистки выпускных газов по CO , CHx , NOx , но для их функционирования необходима точная регулировка коэффициента избытка воздуха в окрестности a = 1,0 (стехиометрическая смесь). С этой целью в выпускной системе двигателя устанавливается специальный датчик (l - зонд), реагирующий на содержание кислорода в выпускной системе. У этого датчика, представляющего собой элемент из порошка диоксида циркония ZrO2 , используется сильная зависимость ЭДС твердотельного гальванического элемента ZrO2 от концентрации кислорода. Сигналы об изменении концентрации кислорода (состава смеси) передаются в блок электронного управления, который формирует управляющее воздействие на исполнительный механизм привода дроссельной заслонки электронного карбюратора или на элементы дозирования электронной системы впрыскивания топлива. В результате двигатель работает на стехиометрической смеси, обеспечивая приемлемую экономичность и минимальные выбросы после нейтрализатора CO , NOx и CHx . Рис.4.2. Система SCR (селективной каталитической очистки ОГ от оксидов азота) Большая часть европейских автопроизводителей, среди которых Mercedes-Benz, DAF, Iveco, Renault Trucks, Volvo Trucks и другие, для обеспечения требований «Евро-4» ориентируются на систему SCR. SCR представляет собой каталитический нейтрализатор, в котором оксиды азота восстанавливаются до чистого азота. Для осуществления реакции в нейтрализатор непрерывно подается жидкий реагент, представляющий собой 32,5-процентный водный раствор мочевины. SCR обеспечивает высокую степень нейтрализации оксидов азота, на уровне 80-90%. Подаваемый в нейтрализатор реагент широко известен под названием AdBlue. Применение SCR не ухудшает, по сравнению с методом рециркуляции ОГ, рабочий процесс двигателя. Более того, применение SCR, по имеющимся данным, позволяет улучшить топливную экономичность дизелей на 5–7%, по сравнению с двигателями уровня «Евро-3». Связано это с тем, что для достижения требований «Евро-3» производители двигателей, наряду с системой рециркуляции, были вынуждены жертвовать оптимальными настройками двигателя, смещая момент начала впрыска топлива. Установка нейтрализаторов в выпускной системе ДВС увеличивает гидравлическое сопротивление системы, что приводит к некоторому ухудшению экономичности двигателя. Удаление картерных газов во впускную систему позволяет заметно снизить выброс токсичных газов в атмосферу. Это уменьшение может составить по CHx на 10 … 40%, NOx на 5 … 25% и CO на 10 … 25%. Улучшить экологические характеристики ДВС можно подбором топлив. Например, при замене бензина на газ существенно понижается токсичность выпускных газов и содержание в них CO2 . Благоприятно сказывается на показателях токсичности ДВС перевод их на спирты и эфиры. Особенно перспективно применение в двигателях метанола и диметилэфира, которые можно получать не только из газа, каменного угля, но из биомассы . Для уменьшения токсичности выпускных газов двигателей широко используют различные присадки к топливам, например, антидымные присадки к дизельным топливам. Как отмечалось ранее, экологические показатели ДВС зависят от уровня шума, создаваемого им при работе. Под шумом ДВС понимают интенсивность акустического излучения, воспринимаемого наблюдателем. В работающем двигателе первопричиной акустического излучения является рабочий процесс, перекладки поршней, выборы с ударами зазоров в сопряжениях передач, акустический шум на выпуске и впуске и др. Уровень шума выражают в децибелах (дБ). Обычно двигатели создают уровень шума 90 … 115 дБ на расстоянии 1 м от поверхности двигателя. Уровень шума на впуске и выпуске снижают путем установки глушителей шума. Соответствующей организацией рабочего процесса (выбором угла опережения впрыскивания топлива или воспламенения смеси, закона подачи топлива, многоразовым впрыском, формы камеры сгорания и др.) можно существенно снизить уровень шума. Уменьшить уровень шума можно применением конструкционных материалов с повышенным уровнем вибропоглощения (пластмассы, композиты, многослойные материалы), правильным выбором расположения ребер жесткости и опор, минимизацией зазоров в сопряжениях, подверженных знакопеременным нагрузкам (поршень-цилиндр, шестеренчатые и цепные передачи и др.). В последнее время наблюдается тенденция применения в автомобильных и тракторных двигателях жесткой подкартерной плиты, в которой размещаются постели коренных подшипников. В отдельных случаях двигатель помещают в изолированную капсулу, не контактирующую с поверхностью двигателя. 5. УПРАВЛЕНИЕ ВОЗДУХОСНАБЖЕНИЕМ Управление воздухоснабжением позволяет целенаправленно изменять коэффициент избытка воздуха путем согласования подачи воздуха с величиной цикловой подачи топлива в широком диапазоне скоростных и нагрузочных режимов работы дизеля. Увеличение давления наддува k с низкими α дает возможности уменьшать угол опережения впрыскивания с целью снижения эмиссии оксидов азота NOx без заметного снижения экономичности и увеличения выбросов CO и CHx и сажи. Требуемый закон управления давлением наддувочного воздуха может быть реализован с использованием различных способов воздействия на процессы воздухоснабжения (рис. 5.1): регулирование компрессора поворотными лопатками на входе и выходе, дросселирование воздуха после компрессора; выпуск в атмосферу части сжатого воздуха; дросселирование воздуха на входе в компрессор; подвод дополнительной энергии к турбокомпрессору; перепуск части сжатого в компрессоре воздуха в турбину; дросселирование газа на выходе из турбины; регулирование турбины поворотом сопловых лопаток (РСА); регулирование проходного сечения турбины; перепуск части газов мимо турбины; применение дополнительной (форсажной) камеры сгорания перед турбиной; управляемый привод клапанов. Эти способы имеют различную эффективность, надежность и технические трудности при реализации. Наименьшую эффективность имеют способы управления с применением дросселирования воздуха на входе в компрессор и газа на выходе из турбины. Это обусловлено значительными потерями энергии при дросселировании и соответствующим снижением экономических и экологических показателей дизеля. В частности, дросселирование на выходе из турбины приводит к ухудшению очистки цилиндров, снижению α, повышению температур сгорания и увеличению содержания основных токсичных компонентов в выпускных газах. Системы регулирования воздухоснабжения перепуском части наддувочного воздуха перепуском на вход турбины или выпуском в атмосферу сравнительно просты, но нашли ограниченное применение вследствие потери энергии на сжатие перепускаемого воздуха. Способ перепуска части выпускных газов мимо турбины оказался наиболее простым в реализации для дизелей с невысоким уровнем наддува ( k =1,5 - 2,0) и позволяет регулировать частоту вращения ротора турбокомпрессора и давление наддува в довольно широких пределах, однако по эффективности он уступает способу регулирования турбины при помощи РСА. Подвод дополнительной энергии к ротору турбокомпрессора и установка форсажной камеры сгорания перед турбиной ранее находили применение в основном только в дизелях большой мощности с высоким наддувом , однако в последнее время в автомобилестроении активно разрабатывают системы с электрически поддерживаемыми агрегатами наддува. Рис. 5.1. Cпособы управления процессом воздухоснабжения: 1 - охлаждение нагнетаемого воздуха Tк ; 2 - дросселирование воздуха за компрессором (К) Dрнаг ; 3 - выпуск в атмосферу части сжатого воздуха bв ; 4 - дросселирование воздуха на входе в компрессор Dрвс ; 5 - подвод дополнительной энергии к ротору турбокомпрессора l; 6 - перепуск части сжатого воздуха на вход турбины (Т) j; 7 - дросселирование газов на выходе из турбины Dрвх ; 8 - изменение проходного сечения соплового аппарата турбины Fса ; 9 - перепуск части газов мимо турбины bг ; 10 - установка дополнительной КС на входе в турбину Тт ; 11 - изменение фазы выпуска hv 5.1. Изменение геометрии впускной системы Периодичность процессов в цилиндрах поршневых двигателей является причиной колебательных динамических явлений в газовоздушных трактах. Эти явления могут быть использованы для существенного улучшения основных параметров двигателей - мощности, экономичности, крутящего момента. Путем подбора длины и проходного сечения индивидуального трубопровода можно добиться прихода этой волны к цилиндру в наиболее благоприятный момент перед закрытием клапана, что приводит к существенному увеличению коэффициента наполнения hv и, как следствие, приросту мощности Ne и крутящего момента Mк двигателя. Разработаны системы, позволяющие дискретно или непрерывно изменять геометрию впускного тракта. На рис 5.1.2 приведен вариант выпускного трубопровода с двумя вариантами длины впускного трубопрвода. Рис. 5.1.2. Впускной трубопровод с изменяемой геометрией Хорошие результаты дает применение так называемой комбинированной системы наддува, в которой сочетаются турбонаддув и инерционный наддув (использование газодинамических явлений во впускном трубопроводе). В этом случае длина, диаметр и форма впускного трубопровода и настройка турбокомпрессора выполняются так, чтобы на наиболее важном режиме работы двигателя обеспечивался максимальный коэффициент наполнения. Реализация данного способа в дизелях «РАБА-МАН» , «Заурер», «Хино» и др. обеспечивает снижение расхода топлива на 5-7%. Имеются реализации двух и трехрежимной (ступенчатой) газодинамической настройки длины и формы впускных каналов, например, в двигателях фирмы BMW и Фольксваген. Трехступенчатая резонансная впускная система Рис. 5.1.3. Трехступенчатая резонансная система: 1 — резонансная труба; 2 — переходная труба; 3 — коллектор; 4 — трубы с колеблющимися потоками заряда. Частоты вращения: а — низкие; б — средние; в — высокие Для улучшения наполнения во всем диапазоне частот вра­щения во впускной системе был разработан трехступенчатый ре­зонансный впуск. Его схема показана на рис.5.1.3. В принятой схеме имеются две заслонки, расположенные в коллекторе и переходной трубе, которые могут быть или полностью открыты или закрыты. Положение заслонок определя­ется режимом работы двигателя. Размеры труб выбирались из необходимости создавать на всех режимах работы двигателя резонансные колебания во впускном коллекторе. Положение заслонок в зависимости от режима работы показано на рис.5.1.3. 5.2. Управление агрегатами наддува Рис.5.2.1. Регулирование турбокомпрессора поворотом лопаток диффузора 5.2.2. Турбина с регулируемым сопловым аппаратом (РСА) Рис.5.2.3. Турбокомпрессор ТКР-6 НАМИ с РСА Рис.5.2.4. Характеристики вздухоснабжения дизеля ОМ-611: ____ Турбокомпрессо с РСА; --- турбокомпрессор с перепускным клапаном. Наибольшей сложностью и необходимостью тщательной отработки на надежность отличаются способы с применением поворотных лопаток диффузора компрессора 5.2.1 и соплового аппарата турбины 5.2.5. Кроме того, этим способам присущи утечки воздуха и газа через зазоры и возможность закоксовывания лопаток РСА. Тем не менее в последнее время ряд зарубежных фирм разработали для транспортных двигателей турбины с РСА либо турбины с регулируемым сечением соплового аппарата (Гаррет, ККК, Холсет, Хино, Альфа Ромео, Швитцер, Аэродайн Даллас и др.). Внедрение турбокомпрессоров с таким способом регулирования позволило снизить эксплуатационные расходы топлива на 7-12%. На рис. 5.2.3 изображен турбокомпрессор ТКР-6, созданный в НАМИ, а на рис. 5.2.4 сравнение характеристик воздухоснабжения дизеля ОМ -611 при различных способах регулирования турбины. Требования повышения удельной мощности двигатели с необходимостью приводят к созданию ситем с даухступенчатым наддувом, применене которых целесообразно при pk больше 4 -4,5. Рис. 5.2.5.Схема двухступенчатого наддува с регулированием Рис. 5.2.6.Двухступенчатый турбокомпрессор Помимо известных решений — применение турбокомпрес­соров с изменяемой геометрией на входе в турбину или регулируемых двухступенчатых турбокомпрессоров, большое внимание уделяется электронно-поддерживаемым системам турбонаддува e-Boost. Разработку таких систем наддува, известных под названиями e-Boost или e-Booster, e-Turbo, e-Charger, ведет фирма BorgWarner. Принципиально они отличаются только компоновкой в одном агрегате отдельных узлов, входящих в систему наддува. Система e-Boost состоит из компрессора, высокоэффектив­ного электродвигателя, соединенного с ним, и компактного кор­пуса, в котором размещены эти агрегаты, кроме того, в нем находятся также и элементы электронного управления. Система e-Boost новаторская, открывающая новые возмож­ности для создания перспективных двигателей. На рис.5.2.9 представлена последняя модель электронно-поддерживаемого турбокомпрессора. Рис. 5.2.9. Электрически поддерживаемый наддув фирмы Borg Warner Наилучшим вариантом является установка на двигателе двух систем наддува: обычный турбокомпрессор, работающий на отра­ботавших газах, и система e-Boost, состоящая из компрессора с приводом от электродвигателя. В настоящее время на фирме BorgWarner идет доводка системы e-Boost до уровня, необходимого для ее серийного производства. Кроме того, на фирме до сих пор велись разработки новой системы наддува исходя из заявлений, что очень скоро бортовая электросеть автомобиля будет работать с напряжением 42 В. Теперь стало очевидным, что это произойдет не так скоро, и поэтому на фирме BorgWarner усиленно ведутся работы по применению напряжения в 12 В. 5.3. Управление фазами газораспределения и величиной подъема клапанов Цели управления: 1. Оптимизация рабочего процесса в поле режимов работы двигателя 2. Бездроссельное регулирование мощности двигателя 3. Регулирование агрегатов наддува 4. Снижение эмиссии токсичных веществ Рис. 5.3.1. Работа насосных ходов при дроссельном и бездроссельном регулировании мощности Рис. 5.3.2. Изменение фаз движения клапана На рис. 5.3.1. показано преимущество бездроссельного регулирования двигателя при реализации циклов Аткинсона или Миллера. Рис.5.3.3.Гидравлическая система изменения фаз подъема клапанов VVT- i ) Рис. 5.3.4. Регулятор системы VVT- i Рис . 5.3.5.Фазы клапанов двигателя с VVT- i Рис.5.3.6. Схема управления системой VVT- i На рис. 5.3.3. и 5.3.4 приведена система изменения фаз подъема клапанов VVT-i фирмы Toyota и гидравлический регулятор этой системы, а на рис. 5.3.5 – реализуемые этой системой фазы движения впускных клапанов. Схема гидравлического регулятора фаз впускного клапана фирмы Фольксваген приведена на рис. 5.3.7., а на рис. 5.3.8 – показан совместный эффект регулирования фазы впускного клапана и длины впускного канала на показатели двигателя. Рис.5.3.7. Гидравлический регулятор фаз газораспределения фирмы Фольксваген Рис.5.3. 8. Влияние фаз впускного клапана и длины впускного коллектора на показатели двигателя в поле режимов В 2000 г. фирма BMW впервые разработала механическую систему клапанного механизма Valvetronic, которая позволяла регулировать на работающем двигателе все основные параметры клапанного механизма (рис. 5.3.9). Этой системой были оснащены серийные двигатели фирмы. Рис. 5.3.9. Механизм изменения хода клапана Valvetronic ( BMW) Рис. 5.3.10. Диаграммы подъема впускного клапана Система Valvetronic за эти годы подверглась модернизации, хотя и сохранила основную концепцию механизма. Последняя разработка фирмы — 6-цилиндровый бензиновый двигатель, оснащенный модернизированной системой Valvetronic (рис. 5.3.11), которая позволила: —повысить частоту вращения с 6500 до 7000 мин-1 ; —увеличить ускорение клапана и его хода для улучшения газообмена; —сократить насосные потери; —улучшить в камере сгорания смесеобразование и стабилизировать процесс сгорания. Рис. 5.3. 11. Модернизированный вариант механизма Valvetronic Наиболее существенным изменением в кинематике является введение промежуточного рычага с закреп­ленным центром вращения. Не менее важной была необходимость уменьшения массы движущихся частей системы и, соответственно, увеличение их прочности, а также снижение потерь на трение. Для снижения массы клапанов был уменьшен диаметр штока с 6 до 5 мм. Все металлические детали системы Valvetronic были изготовлены из прочной штампованной стали, что позволило несколько снизить их массу, сохранив на необходимом уровне прочность. По сравнению с клапанным механизмом предшест­венника масса нового была уменьшена на 20%. Для уменьшения трения все подшипники системы имели специальные антифрикционные покрытия. Рис. 5.3.12. Электромагнитный привод клапанов Рис. 5.3.13. Диаграммы движения клапана Наибольшими возможностями в управлении фазами и характером движения клапанов обладает система электромагнитного привода клапанов (ЭМПК), обеспечивающая изменение фаз движения клапанов, высоты подъема клапанов вплоть до нулевого подъема (отключение цилиндра, реализация 6, 8, 12-тактных циклов). Конструкция ЭМПК показана на рис. 5.5.14, а на рис. 5.3.15 -5.3.17 возможности системы в обеспечении режимов работы и показателей двигателя. Рис. 5.3.14. Конструкция электромагнитного привода клапана Рис. 5.3.15. Стратегия управления ЭМПК в поле режимов 4-х цилиндрового двигателя с турбонаддувом Рис. 5.3.16.Сравнение характеристик двигателя с ЭМПК и с традиционным приводом клапнов: 1 – двигатель с ЭМПК: 2 – двигатели серийные. Рис. 5.3.17. Выбросы токсичных веществ автомобилем с двигателем с ЭМПК 6. СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ КОНСТРУКЦИИ И ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ Рис.6.1. Конструкция блока и стяжных болтов Рис.6.2. Конструкция блока и стяжных болтов Одной из серьезнейших проблем при создании перспективных двигателей является обеспечение прочности деталей при повышенных параметрах цикла (максимальное давление сгорания в ближайшем будущем превзойдет 210-220 бар). Одним из способов обеспечения работоспособности алюминиевого блока является применение анкерных связей (стяжных болтов) . На рис. 6.1. представлена конструкция форсированного двигателя фирмы Фольксваген с анкерными связями деталей остова. Характерно, что фирма применила в составной анкерной связи запатентованную конструкцию «болт в болт». Крышки коренных подшипников изготовлены из чугуна с шаровидным графитом Разработанная конструкция блок-картера надежно восприни­мает высокое давление до 17 МПа в цилиндре дизеля. На поверхность цилиндров с использованием плазменного напыления наносится железо-молибденовое покрытие толщиной 120 мкм. До выполнения покрытия осуществляется чистовая пескоструйная обработка поверхности цилиндров. Рис. 6.3. Блок двигателя семейства 3М фирмы Митцубиси Рис. 6.4. Постельная плита двигателя фирмы BMW Популярным у конструкторов решением решением, направленным на повышение жесткости блока , повышение его надежности и снижение структурного шума двигателя, является применение постельной плиты (рис. 6.3, 6.4). Это решение давно применялось в стационарных, судовых и тепловозных дизелях. Другим конструкторским решением для шатунов, давно известным и используемым в двигателестроении, является использование метода «разлома» нижней головки шатуна (рис. 6.5). Это решение позволяет существенно упростить конструкцию шатунных болтов, удешевить их, и в то же время устранить эффект их изгиба при поперечных деформациях кривошипной головки шатуна. Рис. 6.5. Шатун двигателя двигателя BMW. Нижняя головка выполнена методом разлома. 6.2. Легкие материалы для блока и головки цилиндров Уменьшение массы легкового автомобиля и, конечно, двига­теля стало в настоящее время определяющим направлением работ, обеспечивающих снижение расхода топлива и выбросов вредных веществ. В этой связи в автомобильной промышлен­ности наблюдается также процесс перехода от чугунных блоков к алюминиевым и в высоконагруженных двигателях. Первым такой переход осуществила фирма DaimlerChrysler на 4-цилиндровом рядном двигателе A170CDI. Потом ту же замену материала осуществила фирма PSA на аналогичном двигателе с рабочим объемом 1,4 л, массовое производство которого началось в начале 2003 г. Этот двигатель устанавливается на автомобилях фирм Peugeot, Citroen и Ford. Дальнейший успех применения легких материалов в высоконагруженных двигателях будет определяться не только свойствами материалов, но и разработкой оригинальных, нестандартных конструкторских реше­ний. Поэтому в последнее время наблюдается интенсивное сотрудничество между литейными заводами, производителями легких металлов и конструкторами двигателей. Очевидно, что главное внимание в плане уменьшения массы двигателя разработчики уделяют блоку и головке цилиндров. Условия работы этих узлов двигателей требуют применения материала, который удовлетворяет чрезвычайно высоким требованиям по пределу прочности, сопротивлению ползучести, теплопроводности, ковкости, а также обладает низкой восприимчивостью к образованию горячих трещин. Блок двигателя Масса только одного блока составляет примерно 25-33% от массы всего двигателя. Для блока в настоящее время применяются сплавы с содержанием кремния от 6 до 17% и меди от 3 до 4%. При температурах выше 225°С резко ухудшаются показатели твердости алюминиевых сплавов. На фирме Honsel разрабатываются новые легкие материалы для головки цилиндров, например, сплавы AISi12CuNiMg, AISi7MgCuNiFe, AISi8Cu3. Головки цилиндров, изготовленные из этих трех сплавов, прошли испытания в течение 230-240 ч при температуре 225°С и показали хорошие результаты, они обладают лучшими механическими свойствами. Рис. 6.2.1. Необработанная заготовка головки цилиндров массой 13 кг из материала AISi7 MgCuO, 5 Первый из перечисленных материалов фирма считает наиболее перспективным для головок цилиндров. Новый сплав AISi7MgCuNiFe обладает усталостной прочнос­тью на 20% выше, чем у также нового сплава AISi8Cu3, и прибли­жается к аналогичному значению, присущему серому чугуну. - Была также разработана, несмотря на чрезвычайно ограниченные возможности, оригинальная конструкция головки с измененной формой водяной рубашки (рис.6.2.1) для 8-цилиндрового V-образного двигателя TDI с рабочим объемом 4,0 л фирмы Audi. Гибридные блоки Фирма Audi демонстрирует путь, который, по ее мнению, позволит конструктивно сочетать легкие материалы, например, магний, с новыми материалами, более прочными при высоких температурах, что в будущем позволит создать гибридные блоки цилиндров, обеспечивающие создание высокофорсированных двигателей с малой массой. Аналогичную разработку гибридного блока провела фирма BMW для своего 6-цилиндрового рядного бензинового двигателя. Учитывая, что разработка гибридного блока осуществлялась с учетом серийного его производства, фирма Audi считает возможным уже в настоящее время осуществить разработку двигателя литровой мощностью более 67 кВт/л с гибридным блоком, пригодного для серийного производства. Основные усилия разработчиков были направлены на созда­ние гибридного блока, включающего магний и алюминий. На рис.6.2.2 показан такой гибридный блок двигателя. Центральным элементом конструкции гибридного блока является алюминиевая вставка, представленная на рис.6.2.3. Некоторые конструктивные особенности гибридного блока показаны на рис. 6.2.4. Puc. 6.2.2. Алюминиевая вставка 4-илиндрового двигателя фирмы Audi: 1 — резьбовое отверстие для крепления головки цилиндров; 2 — водяная рубашка; 3 — зеркало цилиндра; 4 — подвод охлаждающей жидкости к турбокомпрессору; 5 — установочные выемки магниевой части блока; 6 — внутренняя резьба для крепления коренного подшипника Рис. 6.2.3. Двигатель в сборе с гибридным блоком: 1 —алюминиевая вставка; 2 — магниевая часть блока; 3 — выемки вставки, заполненной магнием; 4 — магниевая опорная плита Вставка из заэвтектического алюминиевого сплава AISi17Cu4 изготовлена литьем в кокиль. Рис.6.2.4. Внутренняя алюминиевая часть блока с гильзами и верхними половинами коренных подшипников Рис. 6.2.5.Опорная (постельная ) плита Применяя магний в двигателе, необходимо учитывать, что у него более низкие модуль упругости и сопротивление ползучести, особенно при высоких температурах, выше 120°С; магний не­пригоден Для использования в качестве трущегося материала и недопустим его контакт с охлаждающей жидкостью. Поэтому в принятой моноблочной конструкции алюминиевой вставки расположена вся система охлаждения двигателя. Для охлаждения турбокомпрессора предусмотрен специальный отвод­ной патрубок, проходящий через магниевую часть блока двига­теля, тем самым исключается ее контакт с жидкостью. Магниевая оболочка и вся нижняя часть блок-картера литые. Толщина стенки магниевой оболочки вокруг алюминиевой вставки составляет около 4 мм. Многочисленные выемки и отверстия в алюминиевой вставке обеспечивают хорошее механическое соединение вставки с магниевой оболочкой. В дополнение к этим элементам крепления наружная поверхность вставки покрывается материалом AISH2, который обеспечивает хорошее сцепление алюминиевой вставки с магниевой оболочкой. Перед разработчиками остро стояла задача выбора магниевого сплава. Общепринятые магниевые сплавы типа AZ91 или АМ50 могли работать до температур порядка 130°С. В связи с этим фирма Volkswagen, совместно с израильским магниевым научно-исследовательским институтом, проводит в настоящее время научно-исследовательскую работу по увеличению полез­ного температурного диапазона магниевых литейных сплавов. цилиндров. После расточки цилиндров производится хонингование их зеркал. Разработанные ими первые магниевые сплавы MRI 153M MRI 230D способны работать при температурах до 200°С. Большое значение было уделено резьбовым соединениям, были разработаны алюминиевые винты из сплава АА6056, которые уменьшили контактную коррозию, что наряду с выбором оптимальной высоты профиля резьбы обеспечило надежное крепление при меньшей массе винтов. В целом, учитывая наличие жесткой опорной магниевой плиты (видна на рис.6.2. 3), весь гибридный блок получился очень прочным. Более низкие модуль упругости и сопротивление ползучести в значительной степени были компенсированы принятой конструкцией. Таблица 6.2.1 Параметры 1.8 Рабочий объем, см3 1781 Диаметр цилиндра, мм 81 Ход поршня, мм 86,4 Мощность, кВт 120 Частота вращения при Метах , мин'1 5700 Крутящий момент, Нм 225 Частота вращения при Мета х., мин"1 1950-4700 Масса, кг 122 Литровая мощность, кВт/л 67 Удельный крутящий момент, Нм/л 125 Удельная масса, кг/л 1,02 Степень сжатия 9,5 Расстояние между цилиндрами, мм 88 Толщина перемычки между цилиндрами, мм 7 Высота блока, мм 220 Высота опорной плиты, мм 91 Длина шатуна, мм 144 Диаметр шатунных подшипников, мм 47,8 Диаметр коренных подшипников, мм 48 Ширина коренных подшипников, мм 20 В результате фирме Audi удалось на базе известного серийного 4-цилиндрового бензинового двигателя рабочим объемом 1,8 л создать новый двигатель с гибридным магниевым блоком цилиндров, его основные параметры приведены в табл.1. Так же как и базовый двигатель, новый оснащен турбоком­прессором и пятью клапанами на цилиндр (три из них впускные). Впрыскивание топлива осуществляется во впускной канал головки Мощность двигателя с легким гибридным блоком сохранена равной мощности серийного базового двигателя с чугунным блоком. Поэтому литровая мощность и удельный крутящий момент у этих двигателей одни и те же. В то же время применение гибридного блока обеспечило снижение массы двигателя на 23 кг. Кроме того, проведенные расчетные и экспериментальные исследования показали, что двигатель с гибридным блоком создает существенно меньший шум. Длительные (1000 ч) испытания двигателя с магниевым гибридным блоком прошли успешно и показали, что применение гибридного блока позволит создавать более мощные двигатели с одновременным использованием легкого блока. 7. Лазерная обработка гильзы цилиндров дизеля. 60% от общей величины трения в дизелях составляет трение в паре поршневые кольца и гильза цилиндра. Проблеме уменьшения этих потерь были посвящены исследования, проведенные организацией Lambda Physik совместно с фирмой Audi. Разработана новая методика обработки гильзы с исполь­зованием лазера, в результате которой значительно уменьшается величина трения. В основе процесса лежит азотирование поверхности гильзы и воздействие на нее лазером в ультрафиолетовом диапазоне, вместо применяемого инфракрасного диапазона, при котором твердость поверхности гильзы увеличивается. Лазерное азотирование по новой технологии создает также твердый мартенситовый слой, богатый азотом и крошечными микроскважинами, которые удерживают масло, обеспечивая хорошие трибологические свойства поверхности гильзы (рис.10). При обычной механической обработке гильзы хонингованием на ее поверхности образуются связанные между собой микроуглубления (микроканалы), по которым происходит выте­кание масла с поверхности гильзы, в то время как при лазерной обработке масло сохраняется в изолированных микроскважинах. а) б) Рис. 7.1. Хонингование (а) и лазерная обработка (б)гильзы цилиндров 1 — перемещение поршневого кольца; 2 — микроканалы; 3 — микроскважины Во время лазерного воздействия на гильзу азот подается в газообразном состоянии. Эти исследования проводились с лазером Lamda Steel 1000, длина волны принималась короткой, равной 0,3 мкм. Исследования лазерного азотирования проводились на 4-цилиндровом дизеле с турбонаддувом рабочим объемом 1.9 л. По сравнению с обычной технологией обработки гильзы хонингованием износ ее поверхности уменьшился на 23-89% и на 30-88% — износ поршневых колец при работе на частотах вращения 3500-4000 мин-1 . При аналогичных испытаниях двигателя V6 продолжитель­ностью 800 ч было показано, что расход масла уменьшился на 75% по сравнению с обычным хонингованием. 8. Бензиновые двигатели 8.1. Бензиновые двигатели автомобилей PASSAT Создавая двигатели для нового поколения автомо­билей Passat, фирма была вынуждена учитывать предъ­являемые к двигателям все возрастающие требования, такие, как повышение комфортабельности (уменьшение шума и вибраций), снижение расхода топлива и выбросов вредных веществ, улучшение динамики автомобиля. За базу при разработке новых двигателей был взят 6-цилиндровый V-образный двигатель фирмы известной серии VR6* с малым углом развала -15°. Кроме 6-цилиндровых двигателей с малым углом развала VR6, фирма разработала 5-, 8- и 12-цилиндровые двигатели. Первый двигатель VR6 с малым углом развала рабочим объемом 2,8 л был разработан фирмой еще в 1991г. В дальнейшем он подвергался неоднократной модернизации, были внедрены четыре клапана на цилиндр, созданы двигатели с другим рабочим объемом —1,4; 3,2 и 3,6 л. Для автомобилей Passat фирма предлагает три бензиновых двигателя, прошедших новую модернизацию. Основные их параметры приведены в табл.1. Двигатель с рабочим объемом 3,6 л был разработан фирмой специально для американского рынка. Главные изменения коснулись системы впрыскивания топли­ва, на двух двигателях принято непосредственное впрыскивание топлива - система FSI* (Fuel-stratified injection), разработанная также фирмой Volkswagen. В этой системе впрыскивание осуществляется в камеру сгорания, несколько ниже впускных клапанов. На одном двигателе 3.2 VR6 сохранена обычная система многоточечного впрыскивания во впускные каналы двигателя. Таблица 8.1. Параметры 3.2 VR6 MTI 3.2 VR6 FSI 3.6 VR6 FSI Рабочий объем, см3 3186 3186 3597 Диаметр цилиндра, мм 84 86 89 Ход поршня, мм 95,9 90,9 96,6 Мощность, максим., кВт 184 184 206 Частота вращения при Nema x., мин -1 6300 6200 6200 Крутящий момент, Нм 320 330 360 Частота вращения при Меmах, мин -1 2500--3000 2500--3000 2750 Степень сжатия 11,25 12 12 Сред эффектив. давление, МПа 1,26 1,31 1,26 Средняя скорость поршня, м/с 19,8 18,8 20,0 Масса двигателя, кг — 173 Литровая мощность, кВт/л 57 57 57 Удельный крутящий момент, Нм/л 100 103 100 Удельная масса двигателя, кг/кВт 0,84 Применяемое топливо с иЧ ____________________________ 98/95 98/95 98/95 Порядок работы цилиндров | I -5-3-6-2-4 Общий вид двигателя рабочим объемом 3,6 л представлен на рис 8.1. Рис. 8.1. Двигатель 3.6 VR6 FSI На рис. 8.2 приведены внешние скоростные характеристики бензиновых двига телей с системой FSI. Рис. 8.2. Внешняя скоростная характеристика ------- двигатель 3.6 VR6 FSI; ___ двигатель 3.2 VR6 FSI Несмотря на наличие дополнительных узлов, связанных с применением системы FSI, общая масса двигателя была снижена по сравнению с предшественником, удалось получить достаточно малую удельную массу, равную 0,84 кг/кВт. Основные технические решения, внедренные в новые двига­тели (кроме системы топливоподачи): —непрерывное регулирование фаз газораспределения впус­кных и выпускных клапанов; —единый верхний пластмассовый впускной модуль с двумя вариантами длины тракта —длинным и коротким; —роликовые толкатели в приводе к клапанам; —четырехклапанная головка цилиндров; —облегченный блок-картер из серого чугуна. Доводка рабочего процесса Главное внимание при доводке рабочего процесса уделялось смесеобразованию в камере сгорания двигателя. На рис. 8.3 пока­зана схема организации смесеобразования в двигателе VR6. Впускные каналы двух рядов цилиндров, расположенные в головке, в связи с принятой конструкцией с малым углом развала, отличаются по конструкции и длине, также имеют различную внешнюю форму клапаны и форсунки. Кроме этих отличий, принятая впускная система изменяет длину тракта за счет конструкции впускного модуля, позволяющей осуществлять переключение потока воздуха с длинного тракта —515 мм на короткий —246 мм. Это переключение осущес­твляется на частоте вращения 4500 мин-1 . При более высоких частотах вращения длина тракта умень­шается, что обеспечивает получение большей мощности, при более низких частотах тракт удлиняется, обеспечивая получение большего крутящего момента. Впускной канал — длинный Впускной канал — короткий 1- поток воздуха; 2- поток топлива. Рис. 8.3. Конструкция камеры сгорания смежных цилиндров правого и левого блока в двигателях VR6 Тщательная доводка рабочего процесса осуществлялась с учетом особенностей каждого ряда цилиндров и позволила выполнить нормы на выбросы вредных веществ EURO IV и LEV-2, получить достаточно низкие значения расхода топлива (рис.8. 4), а также хорошие динамические характеристики автомобиля. Рис. 8.4. Удельный расход топлива у новых двигателей VR6 • — двигатель с впрыскиванием во впускные каналы; О — двигатель с непосредственным впрыскиванием; 1 —поле разброса расхода топлива у 6-цилиндровых аналогичных двигателей Протекание кривой крутящего момента (рис. 2) очень благо­приятно для получения хорошей динамики автомобиля. Практи­чески в диапазоне частот вращения от 2000 мин'1 до максималь­ных величина крутящего момента выдерживается равной не менее 90% от его максимального значения. Особенности конструкции На рис. 8.5 показаны компоненты двигателя с непосредствен­ным впрыскиванием (система FSI). Рис.8. 5. Компоненты двигателя 3.2 VR6 В табл. 8.2 приведены некоторые конструктивные параметры рассматриваемых двигателей. Таблица 8.2 Параметры 3.2 VR6 MTU 3.2 и 3.6 VR6 FSI Угол развала, гр. 15 10,6 Количество клапанов на цилиндр 4 Длина шатуна, мм 164 Количество коренных опор 7 Диаметр коренных подшипников, мм 60 Диаметр шатунных подшипников, мм 54 Диаметр впускных клапанов, мм 33,2 Диаметр выпускных клапанов, мм 30,2 Подъем впускных и выпускных клапанов, мм 10 Блок-картер, коленчатый вал. Блок изготовлен из серого чугуна, его масса уменьшена по сравнению с предшественником. С увеличением диаметра цилиндров от 86 и более в принятой конструкции блока с малым углом развала — 15° цилиндры в ниж­ней их части начинают настолько сближаться, что уменьшается толщина стенок цилиндров. По этой причине в новых двигателях разработчики были вынуждены уменьшить угол развала до 10,6°. Рис.8. 6. Вид на поперечный разрез двигателя VR6 FSI Коленчатый вал изготовлен также из серого чугуна, по сравнению с предшественником разработчикам удалось умень­шить его массу примерно на 8 кг (15%). Головка цилиндров — алюминиевая. На рис. 6 хорошо видна конструкция головки цилиндров, клапанного механизма, поршневой группы и впускного модуля. В головке размещены два распределительных вала, четыре клапана на цилиндр и форсунки. Для установки форсунок в цилиндры 1, 3 и 5 разработчикам пришлось пропустить их через впускные каналы. Топливная система двигателя VR6 FSI (рис. 8.7) состоит из двух аккумуляторов с высоким давлением, каждый обслуживает один ряд цилиндров. На рис. 7 также видны контуры впускных каналов двух смежных цилиндров. Для уменьшения мощности, затрачиваемой на привод насоса при малых нагрузках и низких расходах топлива, насос высокого давления оснащен клапаном, регулирующим количество подава­емого топлива. Привод к насосу осуществляется цепной передачей. Бензиновые двигатели для автомобилей GOLF PLUS Автомобиль Golf Plus был разработан на базе предыдущего автомобиля GolfV, хорошо себя зарекомендовавшего в эксплуа­тации, и поэтому новые двигатели создавались на базе двигате­лей автомобиля GolfV. Конечно, основные усилия разработчиков были направлены на решение задач, которые были поставлены перед двигателями автомобиля Passat. Был разработан и внедрен ряд существенных изменений, в том числе и введение в двигателях непосредственного впрыски­вания топлива (система FSI). Рис.8. 7. Размещение топливной аппаратуры на двигателе с FSI 1 —короткая форсунка; 2 —насос высокого давления; 3 — трубка, соединяющая аккумуляторы; 4 —аккумулятор топлива цилиндров 1, 3, 5; 5 —аккумулятор топлива цилиндров 2, 4, 6; 6 —длинная форсунка Для автомобиля Golf Plus фирма предлагает четыре варианта 4-цилиндровых рядных бензиновых двигателей. Таблица 8.3 Параметры 1.4 FSI ЕА111 1.6 FSI ЕА111 1.6 SRE* EA113 2.0 FSI EA113 Рабочий объем, см3 1390 1598 1595 1984 Диаметр цилиндра, мм 76,5 76,5 81,0 82,5 Ход поршня, мм 75,6 86,9 77,4 92,8 Мощность, максим., кВт 66** 85 75 110 Частота вращения при Nem ax., мин"1 5200 6000 5600 6000 Крутящий момент, максим., Нм 130 155 148 200 Частота вращения при Мет ах., мин'1 3750 4000 3800 3500 Степень сжатия 12 12 10,3 11,5 Среднее эффективное давление, МПа 1,17 1,22 1,17 1,27 Расход топлива, л/100 км 6,5 7,2 7,6 8,2 Литровая мощность, кВт/л 47 53 47 55 Удельный крутящий момент, Нм/л 93 97 93 100 Количество клапанов на цилиндр 4 4 2 4 Расстояние между осями цилиндров, мм 82 82 88 88 Электронная система управления Bosch MED 9.5.10 Bosch MED 9.5.10 Simеns 7.1 Bosch MED 9.5.10 С впрыскиванием во впускные каналы. Фирма предлагает также дефорсированный вариант этого двигателя мощностью 55 кВт. В табл.8. 3 приведены основные их параметры, на рис. 8.8 показан общий вид двигателя рабочим объемом 1,4 л, оснащен­ного системой FSI. Рис. 8.8. Бензиновый двигатель 1.4 FSI Комплекс внедренных мероприятий обеспечивает получение хорошей характеристики протекания крутящего момента, 90% от его максимальной величины выдерживаются в диапазоне вращения от 1750 до максимальных —6800 мин"1 . В выпускной системе установлены два нейтрализатора; — предварительный, встроенный в выпускной коллектор, и основной, под днищем автомобиля. Все бензиновые двигатели автомобиля Golf Plus выполняют нормы на выбросы вредных веществ EURO IV. Особенности конструкции бензиновых двигателей автомобиля Golf Plus: алюминиевый блок-картер, четыре клапана на цилиндр (кроме двигателя 1.6 SRE с впрыскиванием топлива во впускные каналы, там два клапана), роликовые толкатели в приводе к клапанам, пластмассовый впускной модуль, дрос­сельная заслонка с электроприводом и бесконтактным датчиком ее положения, новый топливный насос фирмы Hitachi с давлением впрыскивания 11 МПа, не имеющий сливной трубки, аккумуляторы топлива, подобные применяемым в системах Common-Rail, поршень и поршневые кольца с уменьшенным трением, облегченные коленчатый и распределительные валы и элементы привода к клапанам, гидравлическая система регули­рования клапанов, керамический предварительный нейтрализа­тор с новым покрытием. Наиболее мощный бензиновый двигатель оснащен также пластмассовой впускной системой с изменяемой длиной тракта. Высокофорсированный бензиновый двигатель TSI фирмы Volksvagen Фирма Volkswagen разработала для своего автомобиля Golf GT новый 4-цилиндровый бензиновый высокофорсированный двигатель TSI с непосредственным впрыскиванием топлива, рабо­чим объемом 1,4 л мощностью 125 кВт (рис.8.9 и 8.10). Полученные на этом двигателе параметры значительно превосходят данные, присущие серийным двигателям с тем же рабочим объемом, и, что особенно важно, обеспечивают на этом форсированном дви­гателе низкий расход топлива. Рис. 8.9. Бензиновый двигатель TSI фирмы Volkswagen с непосредственным впрыскиванием топлива (вид справа) В результате удалось получить следующие мощностные параметры нового двигателя: —среднее эффективное давление 2,16 МПа; —литровая мощность 90 кВт/л; —удельный крутящий момент 172,6 Нм/л. Создав этот двигатель, фирма подтвердила, что продолжает последовательно заниматься бензиновыми двигателями с непос­редственным впрыскиванием топлива, объединив такое впрыски­вание с двухступенчатым наддувом, впервые примененным на двигателе массового производства. Новый двигатель выполняет нормы на выбросы вредных веществ EURO IV. Рис. 8.10. Бензиновый двигатель TSI фирмы Volkswagen с непосредственным впрыскиванием топлива (вид слева) Основные цели этой работы: —низкий расход топлива; —повышенный крутящий момент в широком диапазоне частот вращения; — увеличенный срок службы; —низкая стоимость производства; — технологичность конструкции и ее компактность. Основные параметры нового двигателя приведены в табл.8.4. Таблица 8.4. Параметры Двигатель Рабочий объем, см3 1390 Диаметр цилиндра, мм 76,5 Ход поршня, мм 75,6 Мощность, максимальная, кВт 125 Частота вращения при Nemax., мин-1 6000 Крутящий момент, максим., Нм 240 Частота вращения при Мета х., мин"1 1750-4500 Степень сжатия 10,0 Удельный расход топлива, г/(кВтч) 235 Литровая мощность, кВт/л 90 Удельный крутящий момент, Нм/л 172,6 Давление наддува, МПа 0,25 На рис. 8.11 приведена внешняя скоростная характеристика нового двигателя. Рис. 8.11. Внешняя скоростная характеристика двигателя Такая характеристика крутящего момента получена, в основ­ном, за счет наличия двойного наддува от турбокомпрессора и нагнетателя типа Рут. Полученные фирмой мощностные параметры объясняются, главным образом, снижением массы двигателя, его рабочего объема, а также трения в двигателе, кроме того, как отмечалось, разработчикам удалось при форсировании двигателя снизить расход топлива. Следует также учитывать проведенную фирмой отработку высокоэффективного рабочего процесса и наличие компактной полусферической камеры сгорания с центрально расположенной свечой зажигания. Этому способствовали выбранный ход поршня 75,6 мм, диаметр цилиндра 76,5 мм, плоская и широкая выемка в поршне. В результате удалось повысить степень сжатия до 10,0 без детонации при давлении наддува 0,25 МПа. При испытаниях автомобиля с новым двигателем на бара­банном стенде расход топлива составил 7,2 л/100 км. лива составил 7,2 л/100 км. На рис. 8.12 показаны сравнительные данные по расходу топлива. Рис. 8.12. Расход топлива, замеренный на барабанном стенде: • — сравниваемые автомобили; О — автомобиль Golf GTc новым двигателем . Однако уменьшение рабочего объема при сохранении мощностных показателей двигателя приводило к существенному снижению крутящего момента на низких частотах вращения, что для автомобильного двигателя является неприемлемым. Для устранения этого недостатка фирма предложила двойной наддув, что обеспечило получение максимального крутящего момента уже при низких частотах вращения с сохранением этой величины в широком диапазоне частот вращения (см. рис. 3). Система двойного наддува На рис. 8.13 показана схема двойного наддува нового двигателя с турбокомпрессором и приводным нагнетателем типа Рут. Рис. 8.13. Схема наддува нового двигателя : 1 — электромагнитная муфта; 2 — ременной привод к нагнета­телю; 3 — нагнетатель; 4, 6 — дроссельные заслонки (1) и (2); 5, 15 — впускной и выпускной коллекторы; 7 — воздух; 8 — воздухоочиститель; 9 — охладитель наддувочного воздуха; 10 — клапан перепуска отработавших газов; 11 — нейтрализатор; 12 — отработавшие газы; 13 — турбокомпрессор; 14 — клапан перепуска воздуха Нагнетатель типа Рут приводится во вращение двумя кли­новидными ремнями от коленчатого вала через электромагнитную муфту (ее описание см. ниже). Рис. 8.14. Зоны работы турбокомпрессора и нагнетателя; 1 — непрерывная работа нагнетателя; 2 — периодическое подключение нагнетателя; 3 — зона работы только турбокомпрессора; 4 — безнаддувный режим работы двигателя Существенная роль принадлежит электронной системе управ­ления, разработанной фирмой Volkswagen. Система непрерывно фиксирует крутящий момент, ей известны величины момента, требуемые для каждого режима работы двигателя; и далее система управления при помощи дроссельной заслонки (1) под­ключает приводной нагнетатель, если давление наддува, созда­ваемое турбокомпрессором, является недостаточным, или отключает его, если давление наддува превышает необходимую величину. Таким образом, система обеспечивает поступление в турбокомпрессор того количества воздуха, которое необходимо для оптимальной работы турбокомпрессора на каждом режиме работы двигателя. При работе только одного турбокомпрессора дроссельная заслонка (1) полностью открыта. На рис. 8.14 показаны зоны работы турбокомпрессора и нагнетателя. Начиная с малых частот вращения и при нагрузках, близких к максимальным, нагнетатель работает непрерывно до частоты вращения двигателя не менее 2400 мин-1 , зона 1. В зоне 2 этот же нагнетатель работает периодически при необходимости ком­пенсировать инерционность турбокомпрессора. Полное отключе­ние нагнетателя производится при частоте вращения не менее 3500 мин-1 . Включение и отключение нагнетателя осуществляется электромагнитной муфтой, расположенной в приводе к водяному насосу. Выше частоты вращения 3500 мин-1 один турбокомпрессор обеспечивает получение необходимых параметров, при этом в работе турбокомпрессора не возникают так называемые "турбо-дыры"*. В зоне 4 необходимость наддува отпадает, двигатель работа­ет как безнаддувный. Полученные результаты показывают, что для достижения необходимых значений крутящего момента на малых частотах вращения, меньше 3500 мин-1 , требуется дополнительная помощь приводного нагнетателя. На рис. 8.15 показано изменение степени повышения давления наддува в зависимости от частоты вращения двигателя. Приведенные зависимости наглядно показывают высокую эффективность применения двойного наддува. При двойном наддуве с применением нагнетателя практически решается проблема форсирования двигателя и, одновременно, его успешная работа на малых частотах вращения. Максимальная частота вращения нагнетателя равна пример­но 18 тыс. мин-1 при частоте вращения коленчатого вала двига­теля 3600 мин-1 . Особенности конструкции В основу проектирования нового двигателя была положена концепция модульного принципа, который был принят при создании предшественника меньшей мощности с тем же рабочим объемом 1,4 л. Рис. 8.15. Степень повышения давления наддува при полной нагрузке при работе: —— — турбокомпрессора и нагнетателя; — — — — только нагнетателя; ---------- — только турбокомпрессора; . . . . . _ периодическое подключение нагнетателя Разработчики главное внимание уделили проектированию нового блок-картера и водяного насоса с электромагнитной муфтой в его приводе. Блок-картер Материал блок-картера — серый чугун марки GJL. Решение применить серый чугун объясняется желанием повысить надежность блока, учитывая высокую его напряжен­ность. Блок-картер (рис. 8.16) имеет удлиненную нижнюю часть, верх­няя — принята открытой. В то же время разработчикам удалось спроектировать блок-картер тонкостенным, средняя толщина его стенок составляет 3 ±0,5 мм. В некоторых местах блок-картера, где нагрузка может быть больше расчетной, толщина стенок увеличена. Для повыше­ния жесткости блок-картера его стенки усилены продольными и поперечными ребрами жесткости. Рис. 8.16. Блок-картер нового двигателя фирмы Volkswagen В результате масса блок-картера с удлиненной нижней частью составила всего 29 кг, без учета массы крышек коренных подшипников. Коленчатый вал Разработчики, проектируя коленчатый вал, преследовали две основные цели: повышение его жесткости и уменьшение шума. Поэтому был выбран стальной коленчатый вал, при этом жесткость коленчатого вала повысилась на 23%, а шум от работы двигателя стал меньше. Поршень Современные расчетные методы и опыт конструирования поршней позволили разработать для высокофорсированного двигателя с наддувом, литровая мощность 90 кВт/л, легкий поршень. Поршень (рис. 9) оснащен тремя поршневыми кольцами высотой 1,2-; 1,5-; 2,0 мм, первое компрессионное кольцо азоти­рованное. Рис.8.17. Поршень нового двигателя фирмы Volkswagen В поршень был внедрен ряд мероприятий, направленных на уменьшение трения и повышение эффективности рабочего процесса: —антифрикционное покрытие поршней; —уменьшенный до 55 мкм поршневой зазор; —небольшая высота жарового пояса — 5,8 мм. Чтобы поршень выдерживал максимальное давление в цилиндре, равное 12 МПа, был увеличен диаметр поршневого пальца с 17 до 19 мм. В модификациях этого двигателя с меньшим давлением, до 8,5 МПа, сохранен диаметр пальца, равный 17 мм. Масло под давлением поступает к поршневому пальцу от коленчатого вала через продольное отверстие в шатуне. Кроме того, поршни охлаждаются маслом, впрыскиваемым под давле­нием 0,2 МПа на его днище при помощи форсунок, установленных в нижней части каждого цилиндра. Форсунки расположены так, что впрыскиваемое масло поступает к самому горячему месту на выпускной стороне поршня. Система топливоподачи В двигателе принято непосредственное впрыскивание топлива в цилиндры (схема FSI). Впрыскивание осуществляется в камеру сгорания форсункой, расположенной на впускной стороне между впускным каналом и прокладкой головки цилиндров. Новый топливный насос показан на рис.8.18. Рис.8.18. Топливный насос высокого давления; 1 — собственно насос; 2 — роликовый толкатель; 3 — впускной распределительный вал; 4 — кулачок привода насоса Наибольший интерес в системе топливоподачи нового двигателя представляют насос высокого давления и топливо-впрыскивающие форсунки. Разработка топливного насоса производилась на базе насоса двигателя-предшественника. Был увеличен ход перемещения клапана с 5,0 до 5,7 мм, что позволило не только повысить количество впрыскиваемого топлива, но и поднять давление впрыскивания с 12 до 15 МПа. В конструкции топливного насоса применен роликовый толка­тель, который содействует получению у двигателя необходимого ресурса. Топливная система обеспечивает вторичное впрыскивание топлива, необходимое для быстрого нагревания нейтрализатора после пуска двигателя. Кроме того, при проектировании нового насоса разработчики сочли необходимым перейти с алюминиевого литого корпуса на корпус, изготовленный из алюминиевой поковки. Это позволило вдвое увеличить давление топлива в насосе. Форсунка, разработанная фирмой (рис.8.19), с шестью распыливающими отверстиями была установлена впервые на двига­телях TSI рабочим объемом 1,4 л. Рис. 9.19. Форсунка с шестью распыливающими отверстиями Система охлаждения Блок-картер и головка цилиндров охлаждаются поперечным потоком жидкости, кроме того, в блоке имеются продольные трубопроводы для охлаждающей жидкости, таким образом, система охлаждения внутри двигателя принята двухконтурная. Кроме того, система предусматривает охлаждение турбоком­прессора. При номинальной частоте вращения происходит интенсив­ное охлаждение, что приводит к повышенным давлениям в системе. Чтобы гарантировать работу термостата и улучшить его функции в регулировании температуры, система охлаждения оснащена двухступенчатым термостатом (рис.12). Малый диаметр первой ступени легко открывает термостат, после чего первая ступень начинает перемещать вторую с большим диаметром для свободного прохождения охлаждающей воды. Рис. 8.20. Двухступенчатый термостат Такой термостат работает более надежно. Водяной насос объединен с электромагнитной муфтой, отключающей нагнетатель (рис. 8.21). Рис. 8.21. Водяной насос с электромагнитной муфтой: 1 — фрикционная накладка; 2 — крыльчатка водяного насоса; 3 — катушка электромагнита; 4 — шкив привода к нагнетателю; 5 — сердечник; 6 — шкив привода от коленчатого вала Привод к водяному насосу осуществляется главной ременной передачей, привод к нагнетателю — второй ременной передачей. Когда через катушку электромагнита проходит электрический ток, тогда шкив привода от коленчатого вала и шкив привода к нагнетателю прижимаются друг к другу, и начинает вращаться нагнетатель. Необходимая для этого прижатия мощность составляет 35 Вт. Передаваемый через муфту крутящий момент равен 60 Нм. При отключении тока шкивы разъединяются под воздействием трех пластинчатых пружин. Минимальные износы фрикционных накладок делают кон­струкцию муфты практически не требующей ремонта. Впервые в двигателях фирмы применен для уплотнения вала водяного насоса сальник с двойным манжетным уплотнением (рис.8.22). Уплотнительные манжеты изготовлены из резины. Между двумя манжетами имеется небольшой объем для смазочного материала. Рис. 8.22. Кольцевая уплотнительная манжета водяного насоса: 1 — корпус насоса; 2 — опорный кольцевой уголок; 3 — опорный диск; 4 и 5 — уплотнительные манжеты; 6 — консистентная смазка; 7 — вал насоса; 8 — втулка из нержавеющей стали Агрегаты наддува: нагнетатель и турбокомпрессор Нагнетатель. На рис.15 представлен нагнетатель типа Рут и система его привода. Как отмечалось, включение и выключение нагнетателя осуществляется электромагнитной муфтой, установленной в приводе водяного насоса. Крепление нагнетателя непосредственно на блок-картере осуществляется четырьмя винтами вместе с демпфером шума. Вращение от коленчатого вала к водяному насосу с переда­точным отношением 1,34, далее к нагнетателю с отношением 1,93 осуществляется ременной передачей. Далее внутри корпуса нагнетателя имеется шестеренчатая передача с отношением также 1,93. Суммарное передаточное отношение от коленчатого вала к роторам нагнетателя составляет 5,0. При максимальной частоте вращения двигателя 3500 мин-1 , при которой нагнетатель отключается, частота вращения роторов нагнетателя составляет 17 500 мин-1 . Рис.8.23. Нагнетатель типа Рут с приводом: 1 — шестеренчатая передача с передаточным отноше­нием 1,93; 2 — ременной привод от коленчатого вала к водяному насосу с передаточным отношением 1,34;3 — ременной привод от водяного насоса к нагнетателю с передаточным отношением 1,93; 4 — синхронизирующие шестерни; 5 — роторы нагнетателя Особое внимание разработчики уделили уменьшению шума от роторного нагнетателя. Для этого были тщательно рассмот­рены и оптимизированы параметры шестеренчатой передачи, расположенной внутри нагнетателя, лучше укреплены валы нагнетателя и уменьшена пульсация воздуха на входе и выходе из компрессора с установкой широкополостных демпферов. Турбокомпрессор. На рис.8.24 представлен разработанный фирмой модуль, объединивший выпускной коллектор и турбоком­прессор. Корпус турбины изготовлен как одно целое с выпускным коллектором. Рис.8.24. Выпускной модуль с турбокомпрессором Некоторые размеры турбокомпрессора: —диаметр колеса турбины 45 мм; —диаметр колеса компрессора 51 мм; —площадь горловины входа в турбину 2,8 см2 . Корпус турбины отлит из термостойкой стали, ротор турбины изготовлен из высокотермостойкого никелевого сплава марки MAR 246, вал турбокомпрессора — из материала X45CrSi9.3. Учитывая, что отработавшие газы могут иметь достаточно высокую температуру (порядка 1050°С), разработчики сочли необходимым подвести охлаждающую воду к корпусу подшип­ников. Кроме того, между турбиной и корпусом подшипников уста­новлен трехслойный тепловой экран, который должен предотвра­тить перегрев и коксование подшипников. Этот экран обеспечи­вает также и некоторый акустический эффект. Впускной модуль Изготовлен из пластмассы марки РА6 GF30, включает трубо­проводы подачи чистого воздуха к нагнетателю и к турбоком­прессору, демпфер шума, дроссельные заслонки. Ременной привод к агрегатам Система ременных передач, принятая в двигателе, показана на рис.8.25. Рис.8.25. Система привода к агрегатам двигателя : 1,3, 7 — натяжные устройства; 2 — генератор; 4 — компрессор кондиционера; 5 — шкив коленчатого вала; 6 — водяной насос с электромагнитной муфтой; 8 — нагнетатель типа Рут Состоит она из двух клиновидных ременных передач. Главная передача имеет шесть продольных клиновидных канавок и связывает коленчатый вал с генератором, компрессором кондиционера и водяным насосом. Вторая передача с пятью продольными клиновидными канавками передает вращение от шкива, установленного на валу водяного насоса, к нагнетателю типа Рут. Электромагнитная муфта установлена в шкиве водяного насоса и по сигналу электронной системы управления может отключать нагнетатель. Оба привода оснащены натяжными устройствами, не требу­ющими обслуживания в эксплуатации. 9. ДИЗЕЛИ 9.1. Высокофорсированные дизели для военных машин В начале 2002 г. ТАСОМ — автобронетанковое управление военного ведомства США — предложило промышленности про­грамму по созданию перспективных двигателей, удовлетворя­ющих требованиям будущих военных машин. Работы по программе планируется завершить в 2008 г. Созданные двигатели должны обеспечить машинам необхо­димую удельную мощность при массе машин от 16 до 60 т. К выполнению этой программы подключились две фирмы: немецкая MTU, расположенная в г. Фридрихсхафене, и американ­ская DDC (Detroit Diesel Corp.), входящие в последнее время в группу внедорожных машин фирмы DaimlerChrysler. Обе фирмы достаточно хорошо известны как разработчики именно двигателей для военных машин. В настоящее время фирмы, в соответствии с программой ТАСОМ, совместно разрабатывают совершенно новое семейство дизелей серии 890 IV поколения, которому присущи предельная форсировка и максимальная компактность. Это семейство подходит под терминологию HPD — High Power Density. Двигатели серии 890 должны охватывать мощностной диапазон от 370 до 1490 кВт. Создание двигателей IV поколения для военных машин будущего основывается на технических решениях, принятых в современных дизелях, на разработанных новых конструкциях и технологиях, направленных на получение предельно компактного двигателя. Силовые установки с двигателями семейства 890 рассчитаны на работу при температуре окружающей среды от минус 50°С до плюс 52°С и на высоте 4000 м, а также на работу в условиях повышенной запыленности, при "нулевой" видимости. Работа по созданию дизеля велась путем "проб и испытаний". По заявлениям разработчиков, удалось уменьшить массу двига­теля на 50% по сравнению с обычными двигателями, устанавли­ваемыми на грузовые автомобили, и на 30% — по сравнению с лучшими серийными автомобильными дизелями. Один из руководителей фирмы DDC T.Gruike заявил, что даже если в конечном счете проходимость определяет конструкцию военной машины, потребитель желает иметь низкую стоимость жизненного цикла машины и двигателя, меньшие эксплуатационные расходы, в том числе и расходы топлива. По его мнению, подход на фирмах к созданию новых двигателей состоит в том, чтобы одновременно предложить технические решения, касающиеся двигателя и системы привода. Разработка двигателей серии 890 —это только первая часть проблемы создания перспективной силовой установки, в том числе и гибридной с электроприводом, так высказался T.Gruike. Серия дизелей 890 будет состоять из 6-, 8-, 10- и 12-цилиндровых V-образных дизелей с утлом развала 90о , по некоторым другим данным, серия будет включать также 4- и 16-цилиндровые дизели. В табл.1 приведены некоторые параметры этих дизелей. Таблица 9.1 Число ци­линдров, их располож. Рабочий объем, л Диаметр/ход поршня, мм Nцилин., кВт/цил. Nemax. кВт 4, ряд. 4,4 115/107 102 410 5, ряд. 5,5 115/107 102 510 V6 6,0 109/107 92 550 V8 8,0 109/107 92 736 V10 10, 0 109/107 92 920 V12 12,0 109/107 92 1100 *** Мощность приведена при частоте вращения 4250 мин-1 Проектирование 6-цилиндрового дизеля серии 890 Первый создаваемый двигатель серии 890 — 6-цилиндровый дизель с рабочим объемом 6,0 л при диаметре цилиндра 109 мм и ходе поршня 107 мм (рис.9.1). Развиваемая им мощность состав­ляет 560 кВт и масса 520 кг Габариты дизеля: длина 590 мм, ширина 700 мм и высота 760 мм Максимальная частота вращения принята равной 4250 мин -1 . Средняя скорость поршня — 15,2 м/с. Новый дизель V6 будет устанавливаться в военные машины, предназначенные, в том числе, для авиатранспортирования и десантирования.