Реферат: Перспективы развития автомобильного двигателестроения (zip 1.6 Mb)

Министерство топлива и энергетики РФ

Нефтеюганский индустриальный колледж

Р Е Ф Е Р А Т

по предмету: «Автомобили»

по III разделу «Теории автомобиля и двигателя»

на тему: «Перспективы в развитии

автомобильного двигателестроения»

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

Проверил: /Пасынков В.П./

Нефтеюганск 1999 год

Содержание:

Какими должны быть современные

двигатели внутреннего сгорания.

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

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

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

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

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

Регулируемый турбокомпрессор двигателя БМВ с электрическим управлением (справа).

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

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

Серийный бензиновый двигатель «Мицубиси-Каризма» с непосредственным впрыском (Евро III ): 1834 см ³ ; 92 кВт/125 л.с.; 174 Н × м при 3750 об/мин.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Самый мощный из выпускаемых легковой дизель БМВ (Евро III ): система «коммон рейл», два регулируемых турбокомпрессора, промежуточное охлаждение, 3901 см ³ ; 170 кВт/ 230 л.с.; 500 Н × м при 1800 об/мин.

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

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

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

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

Система «коммон рейл».

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

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

Прототип серийного четырёхцилиндрового дизельного двигателя «Тойота» рабочим объёмом

2 л с двумя верхними распределительными валами и турбокомпрессором.

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

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

Как же можно улучшить плавность, экономичность, эколо­гические показатели дизеля без потери мощности? Тем же способом, как в свое время это сделали на бензиновых моторах, когда карбюратор за­менила управляемая электроникой система впрыска топлива. Одна беда – создать элект­рически управляемую форсунку по образцу той, что использует­ся в бензиновых двигателях, сегодня технологически невозможно: дизельная фор­сунка установлена прямо в цилиндре, где температура газов достигает 2000°, а дав­ление в топливной системе может в сто и более раз превышать атмосферное. Сис­тема «коммон рейл» (Соттоп R а i 1), что в дословном переводе означает «общий путь», «общая магистраль», как раз и призвана решить эту задачу.

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

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

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

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

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

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

Насос-форсунка.

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

Новый трехцилиндровый дизель для «Фольксвагена-Лупо».

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

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

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

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

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

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

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

Ну и, наконец, новый мо­тор обеспечивает отличные ездовые характеристики. Так, трехцилиндровый дизель ра­бочим объемом 1,4 л развива­ет крутящий момент 195 Н × м уже при 2200 об/мин и, как бы­ло сказано, удовлетворяет же­стким нормам токсичности D 3, обладая высокой экономично­стью. Остается подождать ответа конкурентов.

Пьезокерамический инжектор.

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

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

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

График процесса двойного впрыска и характер распыления топлива.

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

Стартер-генератор.

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

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

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

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

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

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

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

Восемнадцать цилиндров. Семьдесят два клапана.

Пятьсот пятьдесят пять лошадиных сил.

Свой новый двигатель «Фольксваген» назвал W 1 8 , однако буква лишь маскирует его истинную конфигурацию. Ведь всего пару лет назад «Фольксваген» показал мотор W12, собранный из двух VR6. Но тут классический ла­тинский алфавит для инженеров оказался беден: в этих двигателях, несмотря на схо­жее обозначение, нет ничего общего (кро­ме, понятно, изготовителя)! У W 12 цилин­дры собраны в два блока по шесть и рас­полагаются при этом в четыре ряда – здесь подошла бы «буква» . А у W 18 – три ряда цилиндров по шесть в каждом, то есть . Как видите, азбука двигателестроения пополняется все новыми знаками.

Основной идеей была не конфигурация двигателя и число цилиндров, а отбор мощности этого уникального агрегата: момент передается на трансмиссию с середины коленчатого вала! Это позволило укоротить коробку передач: ее первичный вал перестал быть соосен ко­ленчатому, развязав руки проектировщикам силовой передачи. Но и этого мало. Как из­вестно, суперкар в наши дни просто обязан быть полноприводным. W 18 рассчитан как раз на такую машину: картер редуктора переднего моста составляет одно целое с под­доном картера двигателя. При этом момент передается сюда валиком, расположенным внутри того вала, что связывает двигатель с коробкой передач!

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

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

5 – валик передачи момента к передним колёсам.

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

Ни для кого не секрет, что шестици­линдровые рядные двигатели прекрасно уравновешены. W 18, в котором «упрятано» три «шестерки», – тоже, но этого конструк­торам показалось мало: они смогли урав­новесить каждую поперечную трехцилинд­ровую секцию. Нетрудно сделать вывод, что семейство «трехрядных» двигателей предполагается расширить. Куда сложнее понять, какие же из чисел пока не войдут в оборот арифметики «Фольксвагена». Ведь теперь стали возможны такие экзотиче­ские варианты, как W 9 и W 15. А если учесть опробованную концерном техноло­гию «отъема» одного цилиндра у привыч­ных моторов (свежий пример – серийный V 5), то в промежутке от 3 до 18 цилиндров «Фольксваген» без труда заполнит любую ячейку, причем многие – не единственным способом. Скажем, к известным VR 6 и V 6 может добавиться W 6.

И восемнадцать – не предел.

Скоро мотор W 18 от «Фольк­свагена», о котором писалось выше, будут считать относительно скромным по его характе­ристикам. Для будущего купе «Майбах» констру­кторы «Даймлер-Крайслера» разрабатывают двигатель с… двадца­тью четырьмя цилинд­рами! Под капотом шести­метрового двухдверного ку­зова как раз хватает места для такого агрегата. А заду­ман он в общем-то бесхитро­стно «просто» взяли и соеди­нили тандемом два известных двигателя V1 2. На самом же деле технических проблем здесь предостаточно. Прежде всего надо обеспечить жест­кость всей конструкции, ее крепление в моторном отсеке с учетом возможных колеба­тельных процессов. Отбор мощности решено сделать от места сочленения. Каждый из двигателей имеет собст­венный турбонаддув, так что с рабочего объема 15 (!) литров удастся снять никак не меньше 1000 л. с., а крутящий момент уж точно будет измеряться четырехзначным числом. Коробку передач, приводные валы, электронную противобуксовочную систе­му, ясное дело, придется разрабаты­вать заново. Прототип суперкупе должен быть представлен публике на Токийском авто­салоне 2001 года.

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

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

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

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

Двигатели Волжского автомобильного завода.

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

Двигатель ВАЗ-2112 в разрезе: 1 – коленчатый вал; 2 – шатун; 3 – плавающий поршневой палец; 4 – поршень; 5 – болт крепления головки; 6 – выпускной клапан; 7 – гидротолкатель; 8 – распределительный вал; 9 – ресивер; 10 – форсунка; 11 – впускная труба; 12 – впускной клапан.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Пароль: экология!

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

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

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

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

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

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

Список использованной литературы:

1. Журнал «За рулём» №2, 1997 год.

2. Журнал «За рулём» №7, 1997 год.

3. Журнал «За рулём» №8, 1997 год.

4. Журнал «За рулём» №9, 1998 год.

5. Журнал «За рулём» №12, 1998 год.

6. Журнал «За рулём» №1, 1999 год.

7. Журнал «За рулём» №2, 1999 год.

8. Журнал «За рулём» №3, 1999 год.

9. Журнал «За рулём» №8, 1999 год.

10. Журнал «Автомобили» №8, 1998 год.

11. Журнал «Авто ревю» №8, 1999 год.

12. Журнал «Клаксон» №5, 1999 год.