Развитие двигателестроения в разных странах имеет свои особенности, обусловленные различным уровнем промышленного потенциала, состоянием топливных ресурсов, традициями и спросом. Однако основные направления поисков при этом остаются общими. Сегодняшние усилия специалистов направлены в основном на разработку и изготовление современных легких и компактных, мощных и экономичных двигателей, в отработавших газах которых содержался бы минимум токсичных веществ. В последнее время значительно повысились и требования к уровню шума и вибрации. Таково настоятельное веление экологии.

За рубежом отмечают, что даже при интенсивных поисках и исследованиях, приводящих к созданию новых типов двигателей, часто весьма необычных, поршневые двигатели внутреннего сгорания останутся основным типом транспортных двигателей как в XX, так и в начале XXI века. Несмотря на их солидную историю ДВС (бензиновый двигатель недавно отпраздновал свой столетний юбилей), инженерная мысль постоянно находит что-то новое или даже вновь возвращается к забытому старому.

Как снизить трение

Поиски путей повышения механического КПД привели в первую очередь к стремлению максимально уменьшить площади трущихся поверхностей, снизить затраты мощности на привод вспомогательных механизмов, применять смазочные масла с пониженной вязкостью и определенными присадками.

Многие ведущие фирмы, разрабатывающие и производящие двигатели для транспортных средств, исследуют возможности улучшения качества обработки внутренних поверхностей цилиндров и облегчения возвратно-поступательно движущихся частей. Последнее приводит к уменьшению сил инерции, что позволяет уменьшить диаметр шеек коленчатого вала и соответственно снизить потери на трение в подшипниках скольжения.

Делаются попытки снизить трение в паре цилиндр-поршень. Например, предлагается изготовлять поршни с площадками трения, выступающими над поверхностью направляющей части поршня на 25 мкм. Две такие площадки делают на противоположных сторонах диаметра под нижним поршневым кольцом и по одной на нижней части юбки симметрично плоскости качания шатуна. Общая площадь трения поршня о стенки цилиндра при этом уменьшается на 40-70% (в зависимости от длины юбки поршня) по сравнению с поршнями обычной конструкции. Для создания лучших условий гидродинамической смазки и сохранения устойчивого масляного клина между трущимися поверхностями кромки этих контактных площадок были скошены под углом 1°.

Стендовые испытания показали, что в бензиновых двигателях и дизелях с такими модифицированными поршнями потери на трение уменьшаются на 7-11%, достигается экономия топлива при работе на полной нагрузке на 0,7-1,5%, а эффективная мощность возрастает на 1,5-2%.

Важно не только снизить потери на трение, но и повысить надежность трущихся пар. Современная технология открывает широкие возможности: износостойкие и антикоррозионные покрытия, термомеханическая обработка поверхностей, плазменное напыление порошкообразных твердых сплавов и многое другое.

Материалы будущего

Завтрашний день моторостроения все теснее связывается с использованием легких сплавов, композиционных и пластических материалов, керамики.

Так, в прошлом году выпуск западными фирмами двигателей с блоками цилиндров из алюминиевых сплавов достиг 50% от общего производства, а головок цилиндров из легких сплавов - 75%. Практически все быстроходные двигатели малого и среднего рабочего объема комплектуются поршнями из алюминиевых сплавов.

Японские автомобильные фирмы используют на серийно выпускаемых двигателях головки блока из сплава алюминия с титаном.

В США ведутся работы по изготовлению блоков методом штамповки из низкоуглеродистой стали толщиной всего 2,3 мм. Это удешевляет производство и дает экономию в весе по сравнению с чугунным блоком (вес штампованного стального блока не превышает веса блока, отлитого из алюминиевого сплава). Для деталей двигателя, работающих в условиях большого перепада температур, проводятся эксперименты по армированию алюминиевых сплавов волокнами бора.

Работы по созданию деталей двигателя из композиционных материалов с волоконным армированием (главным образом, шатунов и поршневых пальцев) начаты в ФРГ. Во время предварительных испытаний шатуны выдержали 10 млн. циклов сжатия-растяжения без разрушения. Такие шатуны на 54% легче обычных стальных. Сейчас они уже испытываются в реальных условиях работы двигателя.

Двумя американскими фирмами в рамках совместной программы «пластмассовый двигатель» разработан 4-цилиндровый двигатель с рабочим объемом 2,3 л, который имеет два распредвала и шестнадцатиклапанную головку блока (по 4 клапана на цилиндр). Блок и головка цилиндров, поршни (с термостойким покрытием), шатуны, детали газораспределения и поддон изготовлены из волокнистых пластических масс. Это позволило уменьшить удельный вес двигателя с 2,25 до 0,70 кг/кВт, на 30% снизился уровень шума.

Двигатель развивает эффективную мощность 240 кВт и имеет массу 76,4 кг (в гоночном варианте). Аналогичный двигатель из стали и чугуна весит 159 кг. Общая доля пластмассовых деталей составляет 63%.

В этом «пластмассовом» двигателе применяется стандартная система смазки и традиционная водяная система охлаждения. Самая крупная деталь - блок цилиндров - была изготовлена из композиционного материала (эпоксидная смола с графитовым волокном). В двигателе широко использован высококачественный термопласт «Торлон», который по химическому составу аналогичен полиамиду. Предполагается, что широкое применение этого термопласта может начаться через 10 лет.

Что может керамика

Современные бензиновые и дизельные двигатели лишь треть энергии, полученной при сжигании топлива, преобразуют в механическую. Остальная часть уходит на теплообмен, теряется вместе с отработавшими газами. Увеличить термический КПД двигателя, его топливную экономичность и уменьшить выброс токсичных веществ в атмосферу возможно путем повышения температуры процесса в камере сгорания. Для этого требуются детали, выдерживающие более жесткий температурный режим. Таким, поистине «революционным» материалом для двигателей оказалась керамика.

Однако единого мнения о целесообразности ее широкого применения нет. Добиться совершенства структурных свойств этих материалов пока еще не удалось. Цены керамических материалов высоки. Технология их обработки, включающая, например, алмазное шлифование, сложна и дорога. Обрабатывать керамические детали из-за чувствительности их к внутренним дефектам сложно. Детали из керамики разрушаются не постепенно, а сразу и полностью. Однако все это не означает, что от керамики нужно отказаться. Новый материал весьма интересен и перспективен: он позволяет повысить рабочую температуру двигателей внутреннего сгорания с 700° до 1100°С и создать дизель с термическими КПД≈48 % (напомним, что у обычного дизеля он составляет ≈36%).

В США, например, сконструирован, изготовлен и испытан 6-цилиндровый дизель без традиционной системы охлаждения с рядом деталей, имеющих жаропрочное покрытие из оксида циркония. Этот двигатель мощностью 170 кВт и рабочим объемом 14 л был установлен на 4,5-тонном грузовом автомобиле. За пробег в 10 000 км он показал средний удельный расход топлива на 30-50% меньше, чем у обычных автомобилей этого класса.

Японские фирмы, которые ведут наибольший объем исследовательских работ по керамическим материалам и за 10 лет экспериментов затратили уже около 60 млн. дол., настроены более оптимистично. Предполагается, что «неподвижные» керамические детали для дизелей будут запущены в серийное производство с текущего года, а вся номенклатура керамических деталей - к 1990 г. Доля керамических материалов в деталях двигателей составит к 2000 г. от 5 до 30%.

Керамика всегда была и останется хрупкой. Вопрос заключается в том, чтобы с помощью новейших технологических процессов увеличить ее прочность и стойкость до величин, обеспечивающих работоспособность двигателей. По мнению ученых, основные успехи применения высокопрочной керамики будут достигнуты не после появления новых материалов, а при разработке и внедрении новых прогрессивных технологических приемов и методов формирования материалов с заранее заданными свойствами.

Разработанные керамические покрытия для деталей камер сгорания и подшипников могут стать важным этапом на пути создания «монолитных» деталей, полностью изготовленных из керамики. Одним из наиболее перспективных направлений в создании высокоэффективных керамических материалов считается применение лазеров для формирования частиц материала с одинаковыми размерами (формовочные порошки с частицами разной величины резко снижают прочностные свойства деталей из керамики). Успешное решение всех «керамических» проблем окажет значительное влияние на экономику двигателестроения. Себестоимость ДВС можно будет снизить не только потому, что исходные материалы станут дешевле, а затраты на производство сократятся, но и благодаря тому, что двигатели станут более простыми по конструкции. Отказ от радиаторов (холодильников), водяных насосов, их приводов, водяной рубашки блока цилиндров резко снизит массу и габариты двигателей.

Более того, можно будет отказаться от привычных смазочных материалов. Не исключено, что новые смазочные материалы будут твердыми или даже газообразными, их можно будет применять в условиях высоких температур.

Что такое турбонаддув и каким он бывает

Общим направлением развития для всех поршневых ДВС (бензиновых, дизельных, роторно-поршневых и др.) является широкое применение наддува.

Наддув как эффективное средство повышения литровой мощности известен давно. Сначала он появился в авиации 20-х годов, затем на гоночных автомобилях. Это были ротативные нагнетатели с механическим приводом (наиболее часто применялся нагнетатель типа «Руте» с двумя двух- или трехлопастными роторами). Затем они перекочевали на двигатели грузовых автомобилей. Как в отечественном, так и в зарубежном судовом двигателестроении этот тип нагнетателей применяется уже в течение нескольких десятилетий. В последние годы стали использовать нагнетатели с газотурбинным приводом - турбокомпрессоры (ТК); поэтому сейчас в серийно выпускаемых автомобильных двигателях малого и среднего рабочего объема в качестве агрегата наддува используется исключительно ТК. Его широкому распространению способствовали относительно низкая стоимость, технологичность, компактность и обеспечение высоких показателей двигателя. Особенно удобен ТК для двигателей катеров, тракторов и стационарных агрегатов, работающих длительное время в режиме постоянной частоты вращения вала двигателя.

Введение наддува и одновременное снижение рабочего объема двигателя позволяет снимать необходимую мощность при большем открытии дроссельной заслонки, поэтому двигатель значительную часть времени работает в области режимов, соответствующих наименьшим удельным расходам топлива. Резерв мощности для разгона и форсированных режимов обеспечивается наддувом.

Чему способствует наддув? Улучшается подготовка заряда к сгоранию, так как свежий заряд имеет повышенную плотность; увеличивается массовая скорость на входе в цилиндр, улучшаются параметры топливного заряда перед воспламенением. Благодаря этому повышается массовая скорость сгорания, увеличиваются максимальные значения давления и рабочей температуры.

Подавляющее большинство двигателей в мире производится для автомобилей, которые движутся в режиме частых ускорений и замедлений (особенно в городах), поэтому фирмы, выпускающие двигатели и ТК, занялись исследованиями новых (или забытых старых, но с применением новых материалов) типов нагнетателей. Объясняется это тем, что радиально-осевой ТК, состоящий из газовой турбины, которая работает от выхлопных газов, и нагнетателя (оба колеса закреплены консольно на одной оси), имеет принципиальные недостатки: инерционность и зависимость подачи от энергии отработавших газов (ОГ). Именно инерционностью объясняется запаздывание достижения максимального крутящего момента и максимальной мощности по сравнению с частотой вращения коленчатого вала двигателя. Проблему можно решить как созданием дополнительных регулирующих устройств, так и возвращением к нагнетателям с механическим приводом.

Например, в Японии разработан ТК с изменяемой геометрией сопла для двигателя с рабочим объемом 2 л. Новый агрегат улучшает динамические характеристики двигателя, увеличивает крутящий момент на 12% и сокращает время выхода на режим максимального давления наддува. Диаметр входного отверстия сопла варьируется заслонкой с электронным управлением в соответствии с входным потоком воздуха. Входной поток воздуха ТК прямо пропорционален выходному потоку ОГ; таким образом изменение входа увеличивает эффективность работы турбоагрегата на низких и высоких частотах вращения.

Нагнетатели с механическим приводом менее инерционны, обеспечивают синхронное с частотой вращения коленчатого вала двигателя увеличение крутящего момента. К недостаткам приводных нагнетателей относят их значительные вес и габариты, а также более низкий КПД по сравнению с аналогичными ТК, повышенный уровень шума. Нагнетатели с механическим приводом требуют высокой точности изготовления; для получения высокого давления наддува при высоком КПД нагнетателя необходимо внутреннее охлаждение роторов. Стоимость их выше стоимости ТК.

Разрабатываются лопаточные нагнетатели коловратного типа с клиноременным приводом и регулируемым сечением на входе; исследуется возможность использования центробежных компрессоров с механическим приводом через бесступенчатый вариатор для согласования его производительности с характеристикой двигателя.

Одной из новых и весьма перспективных конструкций являются волновые обменники давления (ВОД) типа «Компрекс», которые используют как газотурбинный привод, так и механический. На привод агрегата расходуется около 1,0% мощности двигателя. Наддув с применением ВОД существенно повышает мощность двигателя в зоне эксплуатационных режимов. Так, например, для 4-цилиндрового ДВС рабочим объемом 1,7 л применение ВОД «Компрекс» дало повышение мощности до величины, эквивалентной мощности ДВС объемом 2,5 л. На двигателе «Заурер» мощностью 232 кВт форсировка по мощности составила 50 %, а по крутящему моменту 30-50%.

Применение нагнетателей (любого типа) потребовало разработки охладителей воздуха, называемых также промежуточными охладителями, так как при сжатии воздуха он нагревается. Охладители увеличивают экономичность двигателей и их мощность, поскольку плотность воздуха, поступающего в камеры сгорания, повышается. Температура воздуха на выходе достигает 120°С, а температура воздуха на входе во всасывающий коллектор должна быть в пределах 38-60°С. Оптимальная температура для дизелей примерно 50°С. Если наддувочный воздух охладить до более низкой температуры, то несмотря на увеличение плотности заряда мощность уменьшится, так как произойдет ухудшение процесса сгорания. Точное регулирование температуры промежуточного воздуха увеличивает мощность на 10%.

В настоящее время совершенствование рабочих процессов с целью повышения экономичности ДВС и снижения токсичности отработавших газов идет главным образом по пути применения обедненных топливо-воздушных смесей, т. е. смесей с уменьшенным содержанием бензина. В новейших экспериментальных конструкциях ДВС это позволило снизить расход топлива на 25-28%.

Как известно, для сгорания 1 кг бензина необходимо 15 кг воздуха. Таким образом нормальная топливо-воздушная смесь имеет состав 15:1. Состав смеси принято характеризовать коэффициентом избытка воздуха а. который представляет собой отношение количества воздуха на 1 кг топлива в данной смеси, к теоретически необходимому для полного сгорания этой порции топлива. Для нормальной смеси α=1,0; α>1 - соответствует обедненной и бедной смеси; α
Препятствием для применения обедненных смесей, а также и дальнейшего повышения частоты вращения коленчатого вала является то, что время сгорания поступившего в цилиндр заряда существенно увеличивается. Известно, например, что при α=1,67 время горения в 5 раз больше, чем при α=1,00. Наконец, при каких-то критических значениях а воспламенение обедненной смеси в обычных условиях ламинарного (упорядоченного, без перемешивания слоев) потока становится вообще невозможным.

Для того чтобы обойти это препятствие, потребовалась разработка каких-то специальных устройств и систем, обеспечивающих активное перемешивание смеси - турбулизацию , т. е. превращение ламинарного ее потока в турбулентный (вихреобразный), и так называемое послойное распределение заряда .

Сущность послойного распределения заряда в камере сгорания (КС) состоит в том, что поступившая порция смеси разделяется на слои с различным значением α - обогащенные и еще более обедненные. Обогащенная часть заряда в момент срабатывания свечи зажигания располагается у ее электродов. Она воспламеняется легко и обеспечивает быстрое воспламенение всего остального объема обедненной смеси.

Пути совершенствования рабочих процессов

Эффективным средством для турбулизации потока смеси стал так называемый «squish-эффект». Организуются мощный осевой вихрь в момент впуска заряда, а затем хорошо перемешивающие смесь радиально направленные потоки в конце процесса сгорания.

Первоначальные варианты подобных устройств имели существенный недостаток - уменьшали поступление рабочей смеси на 20%. В результате большой экспериментальной работы удалось снизить падение расхода до 10%, что считается вполне приемлемым и компенсируется повышением эффективности основного процесса.

Разработано специальное вихреобразующее устройство «Секон», создающее в цилиндре двигателя два противоположно направленных осевых вихря. Необходимый эффект обеспечивается имеющими довольно сложную форму разнопрофильными выступами, сделанными на седле впускного клапана. Использование этого устройства на мотоциклетном двигателе «Сузуки» при крайне незначительном падении мощности снижает расход топлива на 6,5-14,0%.

В современных ДВС все более широко применяются различные варианты организации (в конце такта сжатия) радиального движения потока смеси к оси цилиндра. Это делается при помощи образования каких-то вытеснительных поверхностей на днище поршня и на головке цилиндра, т. е. в зоне камеры сгорания (КС). Наиболее совершенной является система «Мэй Фэйрболл», применяемая на двигателях «Ягуар-5,3Л» со степенью сжатия 11,5. На частичных нагрузках этот двигатель устойчиво работает при значениях а до 1,5 благодаря тому, что поток смеси после входа через впускной клапан закручивается, сжимается вихреобразным движением и в ходе сжатия наиболее богатая его часть концентрируется у свечи зажигания.

Для воспламенения обедненных смесей необходимы особо надежные и мощные системы зажигания. Применяют, в частности, установку двух свечей на один цилиндр, специальные свечи с более продолжительным и мощным разрядом.

Фирмой «Бош» (ФРГ) разработана принципиально новая конструкция свечи зажигания со встроенной вихревой камерой. Принцип работы ее заключается в том, что в самой свече имеется небольшая полость - камера, в которой поджигается специально подготовленная часть поступившего в цилиндр заряда. Имеющиеся в корпусе свечи четыре тангенциальных канала обеспечивают интенсивную турбу-лизацию этой части заряда и отбрасывают (благодаря действию центробежных сил) наиболее обогащенный ее слой к электродам свечи. После воспламенения через те же тангенциальные и центральный осевой каналы из камеры свечи в цилиндр выбрасываются широкие факелы пламени, охватывающие сразу большой объем основного заряда.

Дальнейшие поиски новых путей совершенствования рабочих процессов привели к созданию двигателей с послойным распределением заряда (иногда применяется термин «ДВС с расслоенным зарядом»). Такие двигатели могут работать на низкооктановых сортах бензина, по экономическим показателям сравнимы с дизелями, имеют малотоксичный выброс; их можно изготовлять на базе выпускаемых моделей.

Наибольшего прогресса в этом направлении добились фирмы «Форд » (США), создавшая двигатель «PROCO» (от слов Programmed Combustion - программированное сгорание), и «Хонда» (Япония).

Двигатель «ПРОКО» со степенью сжатия 11 отличается тем, что в нем применена система непосредственного впрыска бензина в камеру сгорания при помощи форсунки. Топливо подается специальным насосом. Карбюратора нет. Воздух поступает отдельно и непосредственно в цилиндр через впускной коллектор, на входе которого имеется дроссельная заслонка, и впускные клапаны. Как качественный (по α) состав, так и количество образующейся в цилиндре смеси регулируются автоматически (в зависимости от нагрузки и положения педали газа). Всей работой систем питания и зажигания (с установкой двух свечей на каждый цилиндр) управляет электронный блок по специальной программе.

Благодаря специальной форме поршня с камерой в днище и впускному каналу, турбулизирующим поток, обеспечиваются хорошее смесеобразование, послойное распределение смеси и полное ее сгорание. Недостатком конструкции является сложность применяемого оборудования двигателя и особенно форсунок, требующих исключительной точности изготовления.

Система «КВКК» (CVCC - Compound Vortex Controlled Combustion - регулируемый вихревой процесс сгорания) уже применяется на серийных двигателях «Хонда».

Важнейшая особенность этого исключительно интересного двигателя «Хонда КВКК», конструкция которого защищена более чем 230 патентами, заключается в том, что на нем применено так называемое форкамерно-факельное зажигание . По существу это единственный серийный бензиновый двигатель, работающий по принципу действия, обычному для дизелей.

Камера сгорания разделена на две части, основную (89% общего объема) и малую (11%) - собственно форкамеру или предкамеру, в которой установлена свеча зажигания. В предкамере, интенсивно подогреваемой отработавшими газами, происходит разогрев и воспламенение «запального заряда» - специально подготовленной обогащенной части топливо-воздушной смеси. При этом уже знакомая нам идея «расслоения» - разделения смеси на обогащенную и обедненную приобрела в конструкции «КВКК» совершенно иной вид. Обогащенная «запальная» часть заряда не выделяется в цилиндре двигателя, а с самого начала готовится отдельно . Смесеобразование происходит в специальном трехкамерном карбюраторе, одна малая камера которого питает богатой смесью предкамеру, а две большие - обеспечивают обедненной смесью основные КС цилиндров.

В настоящее время так называемый процесс «КВКК» получил широкую известность. За более чем 25-летний период работы по его совершенствованию двигатели прошли ряд модернизаций, позволивших при бензине с тем же октановым числом увеличить степень сжатия с 9 до 11 и снизить удельный расход на 7%. Среднее значение α=1,3, что соответствует пределу эффективного обеднения рабочей смеси.

Регулирование степени сжатия и фаз газораспределения

В последнее время определилось еще одно интересное направление работ по повышению эксплуатационных характеристик ДВС.
Теоретически давно известно, что постоянные степень сжатия и фазы газораспределения, выбранные для какого-то одного (номинального) режима работы, при изменении нагрузки оказываются не оптимальными. Теперь стала реальной возможность регулирования в процессе эксплуатации двигателя как степени сжатия - по этому направлению идет фирма «Фольксвагенверк АГ», так и фаз газораспределения - эту работу проводит «Форд Эйроп».

Ожидается, что ДВС «Фольксваген» с переменной степенью сжатия будет иметь повышенный термический КПД особенно при частичных нагрузках. Экономичность его на частичных нагрузках на 12% выше, чем у обычного двигателя, благодаря тому, что существенное повышение степени сжатия делает возможным работу на очень бедных смесях.

Объем камеры сгорания изменяется при помощи дополнительного «поршня», внутри которого находится свеча зажигания При полной нагрузке вспомогательный «поршень» находится в крайнем верхнем положении и степень сжатия равна 9,5. При работе на уменьшенных нагрузках «поршень» опускается, объем камеры сгорания уменьшается, а степень сжатия соответственно повышается вплоть до 15,0. Система зажигания ДВС управляется компьютером.

В конструкции большинства обычных серийных ДВС применяется один распределительный вал для привода и впускных, и выпускных клапанов. При этом возможность раздельного регулирования фаз газораспределения по скоростному либо по нагрузочному режимам, как это делается с углом опережения зажигания и подачей топлива, исключена.

Поэтому до сих пор конструкторы были вынуждены принимать какие-то компромиссные решения между удовлетворительными показателями для верхнего и для нижнего пределов скоростного либо нагрузочного диапазонов.

Специалисты «Форд Эйроп» решили проблему, применив два отдельных распределительных вала (один для привода впускных, другой - для выпускных клапанов), причем они могут поворачиваться один относительно другого во время работы двигателя. Валами управляет электронная система «Форд ЕКК-IV», запрограммированная на оптимальные фазы газораспределения для любых нагрузочных режимов.

Механизм регулирования величины перекрытия клапанов состоит из центральной косозубой шестерни, приводимой через промежуточный вал от коленчатого вала, и двух косозубых шестерен, которые могут перемещаться по шлицам вдоль осей распределительных валов. Такое осевое перемещение вызывает изменение их углового положения относительно друг друга и коленчатого вала. Осевое перемещение обеспечивается при помощи зубчатых муфт и зубчатого колеса с приводом от электродвигателя. Полное изменение величины перекрытия клапанов от 10 до 90° происходит всего за 0,25 с.

Эксперименты, проведенные фирмой, показали, что возможность изменения при работе ДВС величины перекрытия клапанов дает экономию топлива на двигателях средней мощности до 5%, а на двигателях большой мощности - до 10%. Кроме того удалось уменьшить минимальное число оборотов устойчивого холостого хода до 500 об/мин, тогда как для обычных ДВС эта величина не ниже 800 об/мин. Это дает дополнительную экономию в процессе эксплуатации ДВС.

Увеличение числа клапанов

Последние годы отмечены появлением, главным образом на рынках Японии и Западной Европы, серийных двигателей с трех- и четырехклапанными головками цилиндров (на гоночных автомобилях такие головки, кстати сказать, применяются с 1912 г.). «Рекорды» ставят японские фирмы: «Ямаха» производит пятиклапанный (три впускных, два выпускных) четырехцилиндровый двигатель и разработала шести клапанный, а «Сузуки» подготовила выпуск восьмиклапанного.

Чем же вызвано такое увеличение числа клапанов против обычного (один впускной и один выпускной)?

При работе на максимальном скоростном режиме - на предельной частоте вращения коленчатого вала - двигатель начинает «задыхаться» - цилиндр не успевает полностью наполняться топливо-воздушной смесью. Лимитирующим звеном тракта становится проходное сечение впускного клапана. Увеличению диаметра этого клапана и его хода при малых габаритах камеры сгорания препятствуют конструктивные сложности. Единственным действенным способом является увеличение количества клапанов .

Применению и распространению этого способа долго мешали чисто экономические соображения. Поскольку количество деталей механизма газораспределения возрастало в несколько раз, соответственно увеличивались трудоемкость регулировочных работ, масса двигателя и его стоимость. Успехи современной техники, позволившие уменьшить общие затраты на производство все более сложных ДВС за счет использования средств автоматизации, позволили реализовать давно известный способ. И тем не менее широкое применение наиболее сложных конструкций маловероятно. Сейчас нашли распространение лишь трехклапанные ДВС: за рубежом серийно выпускается 15 моделей таких двигателей.

Почему в массовых ДВС применили именно трех-, а не четырехклапанную схему? Ответ прост. Трехклапанная схема приводится от одного распределительного вала, а четырехклапанная требует установки уже двух распределительных валов.

Попутно отметим, что в многоклапанных двигателях важное значение приобретают различные системы автоматического регулирования параметров системы газораспределения. В частности, все чаще применяются устройства для автоматической компенсации величины зазоров, изменяющихся при нагреве клапанов во время работы ДВС. Имеются системы газораспределения с гидравлическими толкателями или с изменяемым свободным ходом в приводе клапана, приводящим к изменению рабочей высоты подъема клапана к, соответственно, регулирующим фазы газораспределения; известны системы автоматического отключения части цилиндров при малых нагрузках.

При проектировании современных ДВС многоклапанные схемы рассматриваются как важная конструктивная мера улучшения процесса сгорания, повышения антидетонационных свойств и снижения токсичности отработавших газов.

Широкая унификация, автоматизация проектирования и изготовления ДВС

Зарубежные специалисты считают, что не только в настоящее время, но и на перспективу до 2000-го гола основную часть выпускаемых ДВС будут составлять бензиновые двигатели малого рабочего объема. В связи с успешными работами по повышению экономичности таких двигателей наметился спад интереса к дизелизации парка легковых автомобилей. Удалось снизить среднее значение удельного расхода бензина с 312 до 245 г/кВт·ч, что соответствует повышению эффективного КПД с 28 до 35%.

Во всем мире возрастает объем применения новейшей прогрессивной технологии, обеспечивающей гораздо более высокую, чем раньше, точность изготовления деталей. Внедряется принцип разработки «семейств» бензиновых ДВС с высокой степенью унификации деталей , уже продолжительное время используемый в дизелестроении. Примером, в частности, является создание фирмой «Фольксваген» серии ДВС с эффективной мощностью 29, 40 и 55 кВт, имеющей 220 унифицированных деталей, в том числе таких, как блок-картер с различными установочными элементами головок цилиндров.

Основным направлением в организации крупносерийного производства новых поколений ДВС считается внедрение автоматизированных поточных линий изготовления деталей и сборки двигателей.

Примером современного, рассчитанного на автоматизированное производство ДВС, может служить двигатель «Файр-1000», созданный совместно фирмами «Фиат» (Италия) и «Пежо» (Франция) с широким применением ЭВМ. Именно использование ЭВМ позволило значительно облегчить, упростить и усовершенствовать конструкцию двигателя, максимально учесть требования технологии с применением роботов. В процессе разработки «Файр-1000» было создано и испытано 120 опытных образцов, различных по конструкции, числу цилиндров, применяемым рабочим процессам.

Рабочий объем нового двигателя - 999 см 3 . Мощность - 33 кВт при частоте вращения коленчатого вала 5000 об/мин. Масса - 69,3 кг, что соответствует удельному показателю 2,1 кг/кВт. Массу двигателя удалось снизить благодаря уменьшению высоты блока цилиндров и толщины стенок с 6 до 4 мм, сужению межцилиндровых перемычек, существенному облегчению перегородок коренных подшипников. Рубашка охлаждения охватывает только верхнюю часть цилиндров. Оребрение блока отсутствует, а боковые стенки повторяют контур цилиндров, уменьшая объем охлаждающей жидкости. Масса блока цилиндров всего 18 кг. Известно, что его камера сгорания, имеющая плоско-овальную форму, даже не обрабатывается, так как применен автоматизированный процесс особо точного литья. Водяной насос, расположенный в приливе блока, и распределительный вал приводятся в движение зубчатым ремнем. Масляный насос с внутренним зацеплением шестерен расположен в блоке и приводится коленчатым валом. Распределитель бесконтактной транзисторной системы зажигания установлен в торце кулачкового вала.

При пробеге до 100 тыс. км двигатель не требует никакого технического обслуживания.

Заключение

По оценкам ведущих зарубежных специалистов в ближайшее время не ожидается широкого применения ДВС, принципиально новых по конструкции и принципу работы.

Главными направлениями развития наиболее распространенных бензиновых ДВС малого и среднего рабочего объема на перспективу остаются дальнейшее повышение механического КПД и экономических показателей, снижение токсичности отработавших газов. Будет продолжаться поиск новых материалов и технологий, разработка систем наддува и новых рабочих процессов. Научно-исследовательские работы по всем этим направлениям выполняются со все более широким применением ЭВМ и программ, составляемых с использованием данных, полученных в экспериментах.

За последние 20 лет развитие бензиновых ДВС уже обеспечило среднее снижение удельного расхода топлива более чем на 20 % при одновременном удовлетворении ужесточающихся норм на токсичность выбросов. Найдены средства организации более эффективного малотоксичного процесса сгорания при повышенной степени сжатия и использовании обедненной топливо-воздушной смеси. Отдельные разработки внедрены в конструкциях серийных ДВС обычной схемы, а также в получающие распространение и лучше для этого приспособленные ДВС с трех- и четырехклапанными головками цилиндров.

Для расширения области качественного регулирования сгорания и снижения потерь на газообмен разработаны различные схемы отключения одного цилиндра (или групп цилиндров) для уменьшения рабочего объема на режимах частичных нагрузок. Та же идея реализуется в серийно выпускаемых ДВС с уменьшенным рабочим объемом и компенсацией мощностных показателей на полной нагрузке введением наддува.

На уровне экспериментальных исследований рассматриваются возможности регулирования степени сжатия и фаз газораспределения во время работы ДВС.

С целью упрощения технологии, снижения массы, уменьшения механических и тепловых нагрузок, уровня шума и вибраций продолжаются работы по использованию композиционных материалов на основе пластических масс. Существенное улучшение физико-химических свойств керамических материалов также позволило применить их в реальных конструкциях ДВС.

Примечания

1. Наддув производится для повышения давления и массовой плотности воздуха, подаваемого в цилиндры ДВС, при помощи компрессора - нагнетателя.

2007 год Издание: Зеленоградский предприниматель

МОДЕРНИЗАЦИЯ КОНВЕРСИОННОЙ ТЕХНИКИ – ЭТО ВЫГОДНЫЙ БИЗНЕС В РУКАХ ПРОФЕССИОНАЛОВ

В 1999 году в Зеленограде была создана фирма «Батмастер», которая успешно работает до сегодняшнего дня. Основные направления деятельности – капитальный ремонт и реализация дорожной, землеройной, вездеходной техники, поставка после капремонта и модернизации дизельных двигателей, проектирование и изготовление поршней для бензиновых двигателей и дизелей методом изотермической и жидкой штамповки, поставка запасных частей, консультации по инженерной технике и другое.

С руководством фирмы – директором Олегом Анатольевичем Синюковым и руководителем проекта модернизации дизелей кандидатом технических наук Сергеем Валентиновичем Коротеевым мы сегодня и беседуем.

Олег Анатольевич. Я сейчас просматривала ваши прайс-листы, где представлен, так сказать, весь модельный ряд - дорожные, котлованные, землеройные и бурильные машины, экскаваторы и тяжелые гусеничные транспортеры. Впечатление, что это техника, которую мы видели на фотографиях в фильмах 60-х-70х годов . Это так?

О.С. Да эта техника действительно спроектирована в эти годы, но большая ее часть, предлагаемая нашим предприятием, имеет современную начинку. Речь идет об инженернойтехнике, которая производилась еще в Советском Союзе, и, в общем-то, вопросы ее модернизации перед тогдашним руководством соответствующих ведомств не стояли, ввиду того, что на смену старой техники приходила новая. Когда Советский Союз канул в лету, много конверсионной техники оказалось на рынке, и в том числе ее стали использовать в народном хозяйстве. Модернизацией этой техники мало кто занимался, в эту нишу мы и встали.

-Немного расскажите о предыстории создания фирмы?

О.С .Первое время после создания «Батмастера» в Зеленограде на первом месте стоял вопрос расширения портфеля заказов. Тот факт, что к этому моменту нами был накоплен опыт ремонта и сервисного обслуживания этой техники, имелись свои специалисты, здесь ровным счетом ничего не значил. Все новое встречают настороженно. Нужно было найти заказчиков, которым наши услуги по модернизации техники были бы востребованы. Пришлось провести довольно большую работу.

- Откуда взялось такое название - «Батмастер»?

О.С .БАТ- это аббревиатура большого артиллерийского тягача.

-А в чем заключается модернизация старой конверсионной техники?

О.С. Сердце машины - это мотор. От мотора очень многое зависит, есть много показателей, позволяющих определить, в каком состоянии находится мотор. Кроме того, в советское время о таких параметрах как экономичность, речь не шла. Топлива было много, масел самых разнообразных тоже. Техника должна была выйти в поле, выдержать бой, а что будет с ней дальше, мало кого интересовало.

А вот когда эта техника попала в народное хозяйство, перед ней были поставлены несколько иные задачи-вопросы экономичности, экологии вышли на первый план. Практически на всех этих машинах стояли 12-ти цилиндровые двигатели. И если раньше механик-водитель, выезжая на задание на объект, например, по расчистке снега, вынужден был возить с собой бочку масла, так как оно буквально вылетало в трубу, то теперь, после модернизации, потребление масла снизилось в несколько раз, расход топлива на 5-7%.

Но, чтобы заниматься модернизацией двигателей внутреннего сгорания на таком высоком уровне, нужны были специалисты довольно высокой квалификации?

О.С. Конечно. И один из таких специалистов сидит рядом с вами. Это Сергей Валентинович Коротеев, которого я позиционировал бы как лучшего специалиста по оптимизации цилиндро - поршневых групп ДВС в России. Лучше него этот вопрос не знает никто. Мы привлекли его к работе в 2000-м году, тогда была создана рабочая группа под его руководством, которая успешно
. Испытания были успешно проведены в научно-исследовательском центре по испытаниям и доводке на центральном полигоне в г. Дмитрове.

-Сергей Валентинович, как вы отнеслись к предложению фирмы «Батмастер» стать руководителем данного проекта?

С.К. К тому времени, как от фирмы «Батмастер» мне поступило деловое предложение о сотрудничестве, я уже знал их как группу специалистов, которая могла ставить серьезные задачи и доводить их до конкретной реализации.

Сам я до этого занимался проектированием цилиндро - поршневых групп двигателей для некоторых ведущих заводов страны. В своё время на заводе «Элион» я руководил подразделением, занимавшемся выпуском современных жидкоштампованных поршней для экологически чистых автомобилей. Но когда, по ряду причин эта программа, что называется, не пошла, я и получил приглашение от ПГ «Батмастер».

Так что я легко включился в работу.

-Ваше ноу-хау в чем?

С.К. Практически все двигатели, которые на сегодняшний день есть у нас в стране – это поршневые двигатели. Мы изготавливаем главную деталь – поршень по своей документации с применением современных технологий.

Техника, о которой мы ведем речь, на базе тягача АТТ (ДВС 12ч-15/18), была спроектирована в 50-х годах. На смену ей в начале 80-х пришла другая – на базе тягача МТТ, где был установлен дизель (12чн-15/18) новой конструкции. Эти машины оказались настолько удачными, что до сих пор успешно работают в народном хозяйстве. Чем хороша эта техника? Она проста в обслуживании, неприхотлива, надёжна. Но при этих достоинствах абсолютно не экономична. Мы как раз и работали над тем, чтобы сделать эти машины более экономичными.

Если вы представляете себе, как работает поршень, то поймете, что при возвратно-поступательном движении внутри двигателя происходят сложнейшие процессы. Вашим читателям наверняка будет интересно узнать, что поршень внутри работающего двигателя нагревается больше 300 градусов по Цельсию, на него действует давление более 100 атмосфер , десятки раз в секунду.

Метод жидкой или изотермической штамповки применяемый нами при производстве поршней является одним из прогрессивных технологических процессов, позволяющих получать плотные литые заготовки поршня с уменьшенным припуском на механическую обработку. Давление используется здесь как фактор эффективного воздействия на затвердевание и протекающие при этом процессы – усадку, газовыделение, ликвацию. Возникающие при воздействии давления сжимающие напряжения снижают склонность к трещинообразованию и улучшают физико-механические свойства заготовки (плотная, без раковин структура, высокая твердость). Большое содержание кремния в материале поршня обеспечивает повышенную износостойкость.

Мы применяем поршневые кольца, уровень качества которых значительно опережает требования стандарта ISO . Точность радиальной толщины кольца не превышает 0,02 мм . при норме 0,2-0,3 мм. Падение тангенциального усилия в заневоленном состоянии при температуре 300 ° C не превышает 5% при норме 8%. Для исключения задиров и прижогов и обеспечения быстрой приработки использован метод микрохонингования (маслокарманы) рабочей хромированной поверхности поршневых колец.

Применение этих новшеств позволило более чем в 2 раза уменьшить зазоры в сопряжении "поршень - гильза цилиндра". Малые зазоры и оптимальная конструкция поршня обеспечивают улучшение всех показателей работы двигателя. Повышается эффективность сгорания топлива, значительно снижаются механические потери на трение, расход масла и топлива, что существенно увеличивает КПД дизеля. Снижается токсичность отработавших газов и уровень шума, повышается мощность.

О.С . В данном случае, ситуация складывалась таким образом. От одного из наших клиентов треста СНДСР ОАО «Сургутнефтегаз», поступил заказ на путепрокладчика (применяемый для расчистки дорог от снега) – установить дизель другой марки. Заказчик был крайне неудовлетворен работой прежнего дизеля, как раз из-за его низкого ресурса и неэкономичности в ходе эксплуатации.

Мы рассмотрели модели российских и импортных двигателей. Оказалось, что ни один из новых дизелей установить без серьёзной переделки машины невозможно. В общем, мы пошли по пути, который оказался удачным, т.е. путем изменения материалов и конструкций изменили параметры двигателя в лучшую сторону. Что и было воплощено в жизнь.

За счет этого улучшились параметры работы двигателя, начиная от его экономичности, которая составляет 7% экономии на топливе и более чем в 5 раз экономии на масле, до улучшения экологических показателей.

Чтобы было понятнее, объясню на конкретном примере. Если вы обращали внимание, иногда встречаются такие машины, которые называют «Ураган». Когда такая машина идет по дороге, ее всю обволакивает облако дыма, шлейф этого дыма тянется за ней на несколько метров, от которого задыхаются водители и пассажиры других автомобилей, оказавшихся, к несчастью, рядом. Так вот, после процесса модернизации, экологические показатели такой машины улучшаются на несколько порядков, это, конечно, не евростандарт, но дизели практически перестают дымить.

-Вы позиционируете себя как фирма, применяющая наукоёмкие технологии. Приведете пример?

С.К. Мы используем разнообразные перспективные разработки по комплектующим деталям, причем аналогов некоторым разработкам нет на Западе. Немцы к нам приезжают, смотрят и удивляются. Например, в России разработан новый процесс скоростного хромирования поршневых колец, что позволяет повысить прочность хрома, сцепление его с поршневым кольцом, а это – дополнительный ресурс работы комплектующих деталей. Наши партнеры смежники выполнили эту работу для нас – по документации на новые поршневые кольца, разработанной в нашем конструкторском бюро.

-Мы с вами говорили о модернизации, но, судя по прайс-листу, вы еще занимаетесь и капитальным ремонтом?

О.С. В капитальный ремонт входит модернизация мотора и ремонт самой машины.

-Где это происходи? У вас есть своя база?

О.С . В Зеленограде у нас есть цех, где выполняются эти работы.

-А каков разброс цен? Насколько клиенту выгодно заниматься модернизацией техники?

С.К. Ресурс цилиндропоршневой группыстандартного дизеля В-401-800часов. «Наша» ЦПГ будет работать не меньше 8000 мото/часов, т.е. в 10 раз больше. Грузовики же могут работать еще дольше – до 15000 мото/часов. На старой технике такого ресурса нет. Это первый вопрос. Второй вопрос-экономичность. При подконтрольной эксплуатации в «Сургутнефтегазе», расход масла на угар, по их данным, снизился в 10 раз. Соответственно, уменьшились вредные выбросы в атмосферу и стоимость эксплуатации этих машин.

Чтобы создать фирму под подобный проект, нужно быть уверенным в том, что работы хватит на несколько лет. Сколько единиц инженерной техники находилось на территории России к тому времени, когда вы решили создать свою фирму?

О.С. На самом деле, техники довольно много, и не только в России, но и в странах СНГ, а также в странах, в свое время получавших ее от Советского Союза. Это Африка, Азия, часть стран Европы.

В настоящее время российским предприятиям приходится бороться с иностранными производителями на рынке модернизации техники, выпущенной в Советском Союзе. Насколько мне известно, иностранцы дают очень высокую оценку разработкам отечественной школы машиностроения.

Отдельные образцы техники позволяют выполнять большой комплекс мероприятий от землеройных работ до расчистки дорог от снега, а также вытаскивания застрявшей техники мощной лебедкой и грузоподъемных работ краном. И все это сконцентрировано в единый комплекс, способный самостоятельно передвигаться с достаточно большой скоростью.

У зарубежных производителей встречается техника, предназначенная для конкретных целей, но аналогичной советским машинам, с таким набором функций я не встречал.

-Кто ваши основные заказчики?

О.С. Это нефтегазодобывающие предприятия, которые более 30 лет эксплуатируют подобную машины, используя ее, в основном, для содержания дорог зимой, землеройных работ и наводки временных мостов. Среди наших партнеров «Сургутнефтегаз», «Лукойл», предприятия по ремонту и обслуживанию дорог, такие как «Северавтодор», «Сургутнефтедорстройремонт» и другие серьезные предприятия.

Кстати о специалистах. Сейчас повсеместно есть проблема с кадрами низшего и среднего звена? Где вы берете кадры?

О.С. Мы готовим у себя молодых специалистов, для этого у нас есть основной костяк, достаточно зрелые мастера. Мы принимаем на работу специалистов по тем или иным направлениям, часть из них обладает определенными познаниями в автомобильной сфере, и обучаем их на месте.

-Вы принимает участие в выставках, и если да, то в каких именно?

О.С. Мы участвуем в выставках. Вот перед вами диплом 2006 года -Международной выставки продукции военного назначения. Диплом мы также получили за участие в выставке «Автомобильные технологии и материалы» в Манеже, принимали участие в международной выставке 2003 года - «Автокомпоненты – новые технологии».

-И там у вас была возможность сравнить свои технологии и с другими. Какой вы сделали выводы?

О.С. Естьзаводы, которые просто ремонтируют различные типы дизелей, но что касается модернизации, то это настолько узкое направление работы, что на сегодняшний день конкурентов у нас нет. Во всяком случае, я о них не слышал.

И последний вопрос. Какие еще дополнительные, если так можно выразиться, направления вы собираетесь осваивать в ближайшем будущем?

О.С. В перспективе рассматриваем вопрос об изготовлении большего количества деталей и узлов для инженерной техники. Сейчас разрабатывается конструкторская документация и ведется поиск субподрядчиков имеющих возможности выполнить наши заказы на комплектующие. В этой нише мы будем стараться утвердиться в ближайшем будущем.

Добросовестно работают на благо человека. Совершенствование моторов происходит постоянно. То конструкторы борются за увеличение мощности, то снижают массу двигателя. На развитие моторостроения оказывают влияние такие факторы, как перепады цен на нефть и ужесточение экологических норм. Несмотря на все эти сложности, являются основным источником энергии для автомобилей.

В последнее время появилось много новых разработок, которые направлены на совершенствование традиционных моторов. Некоторые их них находятся уже на стадии внедрения, другие новинки имеются только в виде опытных образцов. Однако пройдет немного времени и часть этих инноваций будут реализованы в новых машинах.

Лазеры вместо свечей зажигания

Еще недавно лазеры считались фантастическими приборами, о которых обычные люди узнавали из фильмов о марсианах. Но уже сегодня имеются разработки, направленные на замену лазерными устройствами. Традиционные свечи имеют один недостаток. Они не дают мощной искры, которая способна поджечь топливную смесь с большим количеством воздуха и малой концентрацией топлива. Повышение мощности приводило к быстрому износу электродов. Очень перспективно выглядит применение лазеров для воспламенения обедненной топливной смеси. Среди преимуществ лазерных свеч следует отметить возможность регулировки мощности и угла зажигания. Это позволит сразу не только повысить мощность двигателя, но сделать процесс сгорания более эффективным. Первые керамические лазерные приборы разработали инженеры в Японии. Они имеют диаметр 9 мм, что подходит для целого ряда автомобильных моторов. Новинка не потребует существенной доработки силовых агрегатов.

Инновационные роторные двигатели

В ближайшем будущем из могут пропасть поршни, распредвалы, клапаны. Ученые Мичиганского университета работают над созданием принципиально новой конструкции автомобильного мотора. Силовой агрегат будет получать энергию под действием взрывных волн, поддерживающих движение. Одной из основных деталей новой установки является ротор, в корпусе которого имеются радиальные каналы. При быстром вращении ротора топливная смесь проходит по каналам и мгновенно заполняет свободные отсеки. Конструкция позволяет заблокировать выходные порты, и горючая смесь не вытекает во время сжатия. Так как топливо попадает в отсеки очень быстро, происходит образование ударной волны. Она проталкивает порцию топливной смеси в центр, где происходит воспламенение, а затем и выхлоп отработанных газов. Благодаря такому оригинальному решению исследователям удалось сократить потребление топлива на 60%. Снизилась и масса мотора, что привело к созданию легкого автомобиля (400 кг). Достоинством нового мотора будет и малое количество трущихся деталей, поэтому ресурс двигателя должен увеличиться.

Разработка Scuderi

Сотрудники компании Scuderi подготовили свою версию двигателя будущего. Он имеет два типа поршневых цилиндров, что позволяет более эффективно использовать образующуюся энергию.

Уникальность разработки заключается в соединении двух цилиндров при помощи перепускного канала. В результате один из поршней создает компрессию, а во втором цилиндре происходит воспламенение топливной смеси и выброс газов.

Такой способ позволяет использовать экономнее выработанную энергию. Компьютерные модели показывают, что расход топлива в двигателе Scuderi будет меньше на 50%, чем у традиционных ДВС.

Двигатель с тепловым разделением

Повысить КПД двигателя Scuderi удалось благодаря тепловому разделению мотора на 2 части. В обычном четырехтактном двигателе остается нерешенной одна проблема. Разные такты лучше работают в определенных температурных диапазонах. Поэтому ученые решили разделить двигатель на два отсека и поставить между ними радиатор. Работа мотора будет происходить по следующей схеме. В холодных цилиндрах будет происходить впуск топливной смеси и ее сжатие. Таким образом достигается максимальная эффективность в холодных условиях. Процесс сгорания и выхлоп газов происходит в горячих цилиндрах. Предположительно данная технология обеспечит экономию топлива в пределах 20%. Ученые планируют доработать данный вид мотора и добиться 50%-ной экономии.

Мотор Skyactiv-G от Mazda

Японская компания Мазда всегда стремилась создавать инновационные двигатели. Например, некоторые серийные автомобили оснащаются роторными силовыми агрегатами. Теперь конструкторы автоконцерна основательно занялись экономией топлива. Уже в следующем году планируется выпустить автомобиль с двигателем Skyactiv-G. Он будет первой моделью из семейства Skyactiv. На малолитражной версии Mazda2 будет устанавливаться спортивный двигатель Skyactiv-G объемом 1,3 л. Распределять крутящий момент будет вариаторная коробка передач. Силовая установка отличается высокой степенью сжатия, благодаря чему достигается экономия топлива в пределах 15%. Разработчики утверждают, что средний расход бензина составит около 3л/100 км.

Оппозитными моторами комплектовали свои машины разные автопроизводители. Данная конструкция не лишена изъянов, над которыми инженеры продолжают работать. Как известно, в оппозитном двигателе цилиндры расположены горизонтально, и поршни перемещаются в противоположных направлениях. Конструкторы EcoMotors разместили в каждом цилиндре по два поршня, которые направлены друг к другу. Коленчатый вал находится между цилиндрами, а для перемещения поршней в одном цилиндре используются шатуны разной длины. Такое расположение поршневой группы позволило снизить вес двигателя, так как не требуются массивные головки блока цилиндров. Существенно меньше и ход поршней в оппозитном агрегате, чем в традиционном бензиновом моторе. По мнению инженеров EcoMotors, автомобиль с двигателем OPOC должен потреблять около 2 л бензина на 100 км пути.

Силовой агрегат Pinnacle

Еще одна перспективная разработка сделана на базе оппозитного двигателя. В моторе Pinnacle два поршня двигаются навстречу друг другу, находясь в одном цилиндре. Между ними и происходит воспламенение топливной смеси. Двигатель имеет два коленчатых вала и одинаковой длины шатуны. Данная конструкция позволяет получить колоссальную экономию энергии при низкой себестоимости силового агрегата. Предполагается, что эффективность бензинового двигателя удастся увеличить на 50%. По всей планете ученые ищут новые подходы к созданию мощных, экономных и экологичных моделей ДВС. Отдельные разработки выглядят достаточно перспективно, у других будущее не такое безоблачное. Однако только время рассудит, кто будет купаться во славе, а чьи разработки попадут на пыльные полки архива.

Объединенная двигателестроительная корпорация (ОДК, входит в Ростех) за последние годы вывела на рынок несколько новых продуктов, в числе которых перспективный двигатель ПД-14, силовые установки для кораблей ВМФ России взамен украинских, а также современные вертолетные двигатели. Кроме того, в компании задумались над созданием отечественного двигателя для SSJ. Заместитель генерального директора - генеральный конструктор корпорации Юрий Шмотин в интервью обозревателю РИА Новости Алексею Паньшину на авиасалоне МАКС-2019 рассказал о работах по улучшению ПД-14, создании нового семейства двигателей для летательных аппаратов, а также перспективном вертолетном двигателе и силовой установке для Су-57.

- Юрий Николаевич, какие основные проекты вы бы выделили?

Для авиационного кластера Ростеха ключевые проекты в двигателестроении – это, конечно, ПД-14 и ПД-35. Однако есть и другие не менее важные проекты. Это, во-первых, ТВ7-117СТ-01 для самолета Ил-114-300, это унифицированный с ним двигатель ТВ7-117СТ для Ил-112В. Кроме того, по линии разработчика этих двигателей – "ОДК-Климов" - мы инициировали еще два проекта. Первый – это двигатель ВК-650В для Ка-226. На базе решений, которые будут заложены в этот двигатель, может быть создано семейство силовых установок от 500 до 700 лошадиных сил. Второй проект – ВК-1600В. Это базовый двигатель, который будет установлен на вертолет Ка-62. Эти двигатели сегодня очень востребованы в России.

Мы ведем работы не только по семейству двигателей для вертолетов, военно-транспортной и гражданской авиации. Вы, конечно, знаете все те работы, которые сегодня ведутся по двигателям для боевой авиации семейства АЛ-41, а также по перспективному двигателю. Эти темы являются ключевыми и реализуются в соответствии с установленными сроками.

Кроме того, ОДК выполнила работы по заказу Минобороны по разработке базовых газотурбинных двигателей для Военно-морского флота России от 8 тысяч лошадиных сил до 25 тысяч лошадиных сил. Это двигатели семейства М70 как для кораблей класса "Зубр" и "Мурена" на воздушных подушках, так и очень ожидаемый двигатель М90ФР для кораблей проектов 22350 и 20386. Эти двигатели позволяют сформировать практически всю номенклатуру силовых агрегатов для кораблей ВМФ России и закрыть потребности Минобороны. В этом году ведется работа по созданию ремонтного производства морских двигателей. Послепродажное обслуживание и ремонт двигателей – это очень важное направление, в котором мы видим перспективу развития.

- Вы упомянули двигатель ВК-650В. На какой стадии разработка?

Работы инициированы, они находятся под контролем Ростеха и финансируются. В этом году будет утвержден эскизно-технический проект, и мы приступим к заказу материальной части. В ближайшее время будет собран первый двигатель. Все план-графики определены, сроки установлены.

Не так давно глава Ростеха Сергей Чемезов сказал, что "Ансат" получит отечественный двигатель через четыре года. Это не тот, о котором вы говорите?

В том случае, если для вертолета будет достаточно двигателя мощностью 600 или 700 лошадиных сил, то, конечно, мы будем предлагать наш двигатель ВК-650В.

- Что сейчас с проектом перспективного вертолетного двигателя (ПДВ)?

Мы программу ПДВ, которая реализовывалась как комплекс мер в обеспечение создания на базе двигателя ВК-2500 новой силовой установки для скоростного вертолета, больше года назад переконфигурировали. Сегодня она называется ПДВ-4000. Мы позиционируем эту силовую установку как двигатель нового поколения в классе мощности 4000-5000 лошадиных сил. Вопросы со сроками пока на согласовании с "Вертолетами России". Для себя мы четко сконфигурировали, что это должен быть двигатель нового поколения, которые можно будет устанавливать как на вертолеты, так и на самолеты. Очень сложно занять продуктовую нишу своим изделием, но еще сложнее сохранить в этой нише свое присутствие. ПДВ-4000 должен быть минимум на 10 процентов лучше предшественника в данном классе. В остальных направлениях та же философия. Например, уже сейчас, сделав двигатель ПД-14, мы закладываем основу для создания в данном классе мощности двигателя, который будет превосходить его.

Кстати, о ПД-14. Какой будет линейка перспективных двигателей этого семейства? Будет ли менее мощный двигатель ПД устанавливаться на SSJ вместо SaM-146?

Данный силовой агрегат (ПД-14 – ред.) разрабатывался в рамках программы по созданию двигателей тягой от 9 до 18 тонн. Газогенератор для всех этих двигателей может быть унифицирован. Если мы говорим о двигателях меньшей размерности, таких как SaM-146, то расход воздуха через внутренний контур в таких двигателях должен быть меньше, чем у газогенератора ПД-14. Для того, чтобы создать двигатель, который по топливной эффективности будет конкурировать с SaM-146 и при этом иметь близкий к нему диаметр, нужен газогенератор меньше, чем у ПД-14. Мы понимаем, что для семейства самолетов Sukhoi Superjet, нужен двигатель, который будет превосходить SaM-146 по характеристикам. Работы по формированию задела для создания двигателей нового поколения мы ведем. В случае получения заказа от ГСС мы готовы будем представить такой двигатель в обозримые сроки.

- То есть пока заказа нет, и вы ведете эти работы в инициативном порядке?

Подписанного контракта нет. Если потребуется, двигатель будет создан. Но еще раз повторю, мы ведем работы по формированию задела для создания двигателя семейства ПД такой размерности.

- Вы сказали ранее, что закладываете основу для улучшения ПД-14. Что это значит?

Есть планы по увеличению мощности двигателя ПД-14 за счет увеличения степени двухконтурности вентилятора и разработки на его базе двигателя ПД-16 с более высокими характеристиками. Эта модификация будет востребована для МС-21-400. Мы для себя ставим задачу не разработать большое количество разных двигателей, а сделать один базовый унифицированный газогенератор и двигатель на его основе, который в перспективе станет массовым и не потребует для близких классов воздушных судов создания модификаций за исключением адаптации и модернизации программного обеспечения.

Не так давно Александр Иноземцев заявил, что стоимость программы ПД-35 составляет около 3 миллиардов долларов. Сколько стоило создать ПД-14?

Я бы не хотел отвечать даже в общих чертах, так как эти цифры можно трактовать по-разному. Включать ли в сумму техперевооружение, создание новых технологий и так далее? Большой объем работ по двигателю проделали и другие холдинги Ростеха, их вклад тоже следует учитывать. Мы с вами знаем, что стоимость зависит от наличия НТЗ, готовности производственной базы, от его тяги, от его габаритов. Это не секрет, но пока мы цифру давать не будем. Могу сказать лишь, что стоимость проекта ПД-14 существенно ниже тех двигателей, которые создавались в этом классе мощности за рубежом.

- Сколько двигателей уже поставлено "Иркуту"?

Три двигателя мы уже поставили. Дальнейшие поставки будут идти по определенному контрактом графику.

Теперь о ПД-35. Много говорится о том, что его будут предлагать для CR929, что его можно будет поставить на двухдвигательную версию Ил-96, но это все планы. Для какого конкретно воздушного судна он создается?

Программа ПД-35 подразумевает создание двигателя большой тяги со сроками завершения опытно-конструкторских работ в 2027 году. Двигатель создается, чтобы предложить его для широкофюзеляжного дальнемагистрального самолета CR929. Мы находимся на этапе переговоров с китайской стороной о конфигурировании этой программы. Многое будет зависеть от работ по самолету. Конечно, мы с этим продуктом делаем заявку на то, что мы входим в новый сегмент для себя. В 2020-2021 году, я надеюсь, мы согласуем технические требования на применение двигателя на базе газогенератора, который создается в рамках программы ПД-35 для российской платформы. Да, Ил-96 как платформа может быть оснащен таким двигателем, и двухдвигательное исполнение этого самолета может поднять его топливную эффективность очень существенно.

Эра двигателей внутреннего сгорания (ДВС) еще далека от заката - такого мнения придерживается достаточно большое количество и специалистов, и простых автолюбителей. И для такого утверждения у них есть все основания. По большому счету, существует только две серьезных претензии к ДВС - прожорливость и вредный выхлоп. Запасы нефти не безграничны, а автомобили являются одними из основных ее потребителей. Выхлопные газы отравляют природу и людей и, накапливаясь в атмосфере, создают парниковый эффект. Парниковый эффект приводит к изменению климата и далее к другим экологическим бедам. Но не будем отвлекаться.С обоими недостатками конструкторы и инженеры за последние десятилетия научились весьма эффективно бороться, доказав, что у ДВС есть еще неиспользованные резервы для развития и совершенствования.

Существенное снижения расхода топлива было достигнуто благодаря внедрению в конструкцию ряда технических новшеств. Первым шагом стал переход от карбюраторных двигателей к впрысковым . Современные системы впрыска обеспечивают подачу топлива в цилиндры под высоким давлением, в результате чего происходит его тонкое распыление и хорошее смешивание с воздухом. В ходе такта сжатия топливо впрыскивается в камеру сгорания точно дозированными порциями до 5-7 раз. Использование наддува, увеличение числа клапанов, повышение степени сжатия также позволили более полно сжигать рабочую смесь. Оптимизация формы камеры сгорания, днища поршней, применение систем с регулируемыми фазами газораспределения способствовали улучшению процессов смесеобразования. В результате двигатель может работать на более бедных смесях, экономя топливо и снижая выброс вредных веществ.

Широко применяется в современных автомобилях система старт-стоп , дающая заметную экономию топлива в городском режиме движения. Эта система автоматически выключает двигатель при остановке автомобиля. Запуск производится при нажатии на педаль сцепления (в автомобилях с механической коробкой передач) или при отпускании педали тормоза (в автомобилях с автоматической коробкой).

Система рекуперации энергии торможения , впервые появившаяся на гибридных автомобилях, постепенно перекочевала и на обычные. Кинетическая энергия замедляющегося автомобиля, которая раньше растрачивалась на нагрев деталей тормозной системы, сейчас преобразуется в электрическую и используется для подзарядки аккумулятора. Расход топлива снижается до 3%.

Важным обстоятельством является то, что улучшение технических характеристик двигателей происходит при неуклонном снижении их объема . Например, фольксвагеновский мотор 1,4 TSI, признанный лучшим двигателем 2010 года, при объеме 1390 куб.см развивает мощность до 178 л.с. То есть, с каждого литра снимается 127 л.с.! Удельный расход топлива за прошедшие 20-30 лет был снижен почти в два раза. А раз снижается потребление топлива, соответственно снижается и выброс вредных веществ, да и запасы нефти можно растянуть на больший срок.

Очистка выхлопных газов

Все вышеперечисленные меры снижают вредные выбросы, так сказать косвенно, за счет улучшения технических характеристик. Но есть ряд систем, назначение которых – непосредственно уменьшать количество вредных веществ в выхлопных газах.

Прежде всего это, конечно же, каталитический нейтрализатор и система рециркуляции выхлопных газов EGR. В нейтрализаторе вредные вещества, содержащиеся в выхлопных газах, вступают в химическую реакцию с веществами, нанесенными на его соты. В результате реакции вредные вещества разлагаются на безвредные составляющие.

Система EGR (Exhaust Gas Recirculation) имеет более «узкую» направленность. Она предназначена для снижения содержания оксидов азота в выхлопных газах на режимах прогрева и резкого ускорения, когда двигатель работает на обогащенной смеси. Принцип работы системы состоит в перенаправлении части выхлопных газов обратно в цилиндры. Это вызывает снижение температуры горения и, соответственно, концентрации оксидов азота.

При работе двигателя не все выхлопные газы попадают в выпускную систему. Часть их прорывается в картер. Для предотвращения попадания в атмосферу используется система вентиляции картера . Пары бензина так же, как и выхлопные газы, содержат вредные для человека вещества. Поэтому на автомобилях устанавливается система поглощения паров бензина .

Все вышеперечисленные системы универсальны, то есть используются как на бензиновых моторах, так и на дизельных. Однако выхлопные газы дизеля отличаются повышенной концентрацией оксидов азота и сажи. Поэтому в выпускной системе дизелей дополнительно устанавливается сажевый фильтр . В некоторых конструкциях может использоваться система SCR (Selective catalytic reduction) или, в вольном русском переводе, впрыск мочевины. Принцип работы: водный раствор мочевины впрыскивается в выхлопную систему перед катализатором. В результате химической реакции почти половина высокотоксичных оксидов азота превращается в обычный безвредный азот.

К слову говоря, успехи в совершенствовании дизельных моторов впечатляют. Не будем далеко ходить за примерами. Взгляните на таблицу: в ней представлены победители двух самых престижных мировых наград World Green Car of the Year (Зеленый автомобиль года в мире) и Green Car of the Year (Зеленый автомобиль года).

Видите? В одном конкурсе четыре раза побеждали дизели, в другом – дважды.

Перспективы ДВС

Суммируя сказанное можно утверждать, что в ближайшие десятилетия мы будем сосуществовать с двигателями внутреннего сгорания. Для этого есть весомые технические и экономические причины. Отлаженность технологии производства ДВС обеспечивает их сравнительно низкую стоимость. Совершенствование рабочего процесса позволило получить высокие характеристики и снизить вредные выбросы.

Рост продаж «зеленых» автомобилей во многом стимулирован правительственной поддержкой. Как только государство свертывает программу скидок на экологичные автомобили, спрос на них стремительно падает.

Дизельный автомобиль потребляет до 25% меньше топлива и меньше загрязняет окружающую среду, зато бензиновый имеет меньшую стоимость, его страхование и эксплуатация обходятся дешевле. Однако если годовой пробег превышает 15000 километров, покупать дизель выгоднее.

Выбор подходящего типа двигателя зависит также от класса автомобиля. Современные бензиновые силовые агрегаты весьма эффективны в компактных автомобилях, а нынешние дизеля позволяют достигать низкого расхода топлива и дают удовольствие от вождения в больших универсалах. Бензиновые моторы обеспечивают завидную приемистость и динамику «горячим» спортивным автомобилям, а высокий крутящий момент дизелей как нельзя кстати подходит большим внедорожникам.