ОАО "Серп и Молот" одно из крупнейших машиностроительных предприятий в городе Харькове и на Украине. На протяжении 50 лет наше предприятие выпускает двигатели для сельскохозяйственных машин, значительная часть которых, успешно работает за границей.

Легендарные самоходные зерноуборочные комбайны СК-3,СК-4, СК-5, "Нива" и " " , высокопродуктивные трактора Т-74,ДТ-75Н , ТДТ-55 ,ХТЗ-120 -это только несколько примеров сельхозмашин, на которых установлены дизельные двигатели марки СМД . В бывшем СССР 100 зерно-и кормоуборочных комбайнов, а также большинство тракторов комплектовались нашими дизелями.

В конце 80-х годов завод был реконструирован и получил возможность производить совершенно новый для Украины и стран СНГ 6-ти цилиндровый рядный двигатель мощностью 220-280 л.с.. Также был модернизирован и 4-х цилиндровый двигатель. Увеличилась его мощность до 160-170 л.с., при этом повысился технический уровень конструкции каждого узла, максимально сохранилась унификация деталей и узлов.

Сегодня ОАО "Серп и Молот" выпускает около сотни разных модификаций рядных 4-х и 6-ти цилиндровых двигателей мощностью от 60 до 280 л.с. для сельхозтехники и других машин.

В последнее время, двигатели устанавливаются на новых конструкциях тракторов Харьковского тракторного завода-ХТЗ-120, ХТЗ-180, , Т-156А и других, а также получили применение на зерноуборочных комбайнах которые производятся в Украине "Славутич" , и кормоуборочных комбайнах "Олимп" и "Полесье-250" (Тернополь).

Параллельно с производством двигателей, ОАО "Серп и Молот" производит дозборку и реализацию тракторов ДТ-75Н и . Имеем возможность модернизировать трактора Т-150 (гусеничный), замена двигателя на рядный дизель СМД-19Т.02/20ТА.06 при этом мощность трактора не меняется, а экономичные и эксплуатационные характеристики улучшаются.

Дизели, кроме тракторов и комбайнов, сегодня могут быть установлены на автогрейдеры, асфальтоукладчики, катки, краны, бульдозеры, железнодорожные краны и дрезины и т.п.

Завод имеет возможность поставлять по заказам предприятий запасные части к двигателям, изготовленным на нашем предприятии, выполнять капитальные ремонты, устанавливать новые и модернизировать узлы и детали.

Каталог АО "ЛЕГАС" Москва 1998 г.

Дизели типа СМД - массовые сельскохозяйственные двигатели, ими комплектуются все отечественные зерноуборочные комбайны и более 60% тракторов. Дизели этой марки также устанавливаются на кормо- и кукурузоуборочные комбайны, экскаваторы, подъемные краны и другие мобильные средства. В связи с этим информация по вопросам использования, технического обслуживания и ремонта, сведения о конструкциях дизелей, их изготовителях чрезвычайно значимы.

В 1957 г . Головным специализированным конструкторским бюро по двигателям (ГСКБД) был спроектирован и внедрен о производство на Харьковском заводе "Серп и молот" небольшой по массе быстроходный дизель СМД-7 мощностью 48 кВт (65 л.с.) для зерноуборочного комбайна СК-3 , что явилось началом процесса дизелизации в комбайновой промышленности. В дальнейшем разрабатывались и последовательно внедрялись в серийное производство тракторные и комбайновые дизели СМД-12, -14, -14A, -15K, -15КФ мощностью от 55 (75) до 66 кВт (90 л.с.) Повышение мощности разрабатываемых дизелей обеспечивалось увеличением рабочего объема цилиндров или повышением частоты вращения коленчатого вала. Все эти типы дизелей имели свободный впуск воздуха в цилиндры.

Дальнейшими теоретическими и экспериментальными исследованиями по форсированию тракторных и комбайновых дизелей, улучшению их топливной экономичности, выполненными в ГСКБД , было определено рациональное направление - применение газотурбинного наддува воздуха в цилиндры. Наряду с работами по выбору оптимальной системы газотурбинного наддува в ГСКБД осуществлялись исследования, направленные на повышение надежности основных деталей дизелей.

Первыми отечественными дизелями сельскохозяйственного назначения с газотурбинным наддувом были комбайновые дизели СМД-17К, -18K мощностью 77 кВт (105 л.с.) выпуск которых был начат на заводе "Серп и молот" в 1968 1969 гг.

Применение газотурбинного наддува о качестве средства повышения технического уровня дизелей было пpuзнано прогрессивным направлением, поэтому в дальнейшем создаваемые в ГСКБД дизели имели как конструктивный элемент принудительный наддув воздуха в цилиндры.

К дизелям второго поколения относятся 4-цилиндровые рядные дизели и V-образный 6-цилиндровый дизель . В конструкции впервые в сельскохозяйственном машиностроении было применено такое решение, при котором ход поршня меньше его диаметра. Производство дизелей типа было начато на Харьковском заводе тракторных двигателей (ХЗТД) с 1972 г .

Следующим этапом развития мощности и улучшения топливной экономичности комбайновых и тракторных дизелей были разработки по охлаждению наддувочного воздуха, подаваемого в цилиндры. Исследования, проведенные в ГСКБД , Харьковском институте инженеров транспорта и Харьковском политехническом институте, показали неэффективность дальнейшего развития форсирования дизелей принудительной подачей воздуха из-за значительного повышения его температуры. В конструкции было применено охлаждение подаваемого в цилиндры воздуха, в результате чего повышена плотность и увеличен воздушный заряд цилиндра без существенного увеличения тепловой напряженности.

Первыми дизелями с промежуточным охлаждением (дизели третьего поколения) били и другие, соотносимые по показателям с перспективными зарубежным дизелями такого класса.

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.

Двигатель трактора Т-150: марки, установка, переоборудование

Тракторы Т-150 и Т-150К разрабатывались инженерами Харьковского тракторного завода. Эта модель сменила другую оригинальную разработку ХТЗ - Т-125, выпуск которой прекратили в 1967 году.

Т-150 был в разработке несколько лет и поступил в серийное производство в 1971 году. Изначально это была модель Т-150К - трактор на колесной базе . С 1974 года начался выпуск гусеничного трактора с маркировкой Т-150.

Принцип, заложенный инженерами ХТЗ при разработке Т-150 и Т-150 К, заключался в максимальной унификации этих моделей. Колесный и гусеничный тракторы имеют настолько схожую конструкцию, насколько это возможно с учетом разных движителей. В этой связи большинство запчастей и узлов маркируются для Т-150, но подразумевается, что они подходят и колесному трактору Т-150К.

Двигатели, устанавливаемые на трактор Т-150

Моторы на тракторах Т-150 и Т-150К имеют переднее расположение. К агрегату через муфту подключается сцепление и коробка передач. На колесные и гусеничные тракторы Т-150 устанавливались двигатели:

• СМД-60,
• СМД-62,
• ЯМЗ-236.

Двигатель Т-150 СМД-60

На первых тракторах Т-150 был дизельный двигатель СМД-60. Мотор имел принципиально отличную конструкцию для того времени и сильно отличался от других агрегатов для спецтехники .

Двигатель Т-150 СМД-60 является четырехтактным, короткоходовым. У него шесть цилиндров, расположенных в 2 ряда. Мотор турбированный, имеет системы жидкостного охлаждения и непосредственного впрыска топлива.

Особенностью двигателя трактора Т-150 СМД-60 является то, что цилиндры располагаются не друг напротив друга, а со смещением на 3,6 см. Это было сделано для того, чтобы установить на одну шатунную шейку коленвала шатуны противоположных цилиндров.

Конфигурация двигателя Т-150 СМД-60 кардинально отличалась от строения других тракторных моторов того времени. Цилиндры движка имели V-образную компоновку, что сделало его намного компактнее и легче. В развале цилиндров инженеры расположили турбонагнетатель и выпускные коллекторы. Подающий дизель насос марки НД-22/6Б4 размещен сзади.

Двигатель СМД-60 на Т-150 оснащен полнопоточной центрифугой для очистки моторного масла. Топливных фильтров у мотора два:

1. предварительный,
2. для тонкой очистки.

Вместо воздушного фильтра на СМД-60 используется установка циклонного типа. Система очистки воздуха автоматически очищает пылесборник.

Особенности двигателя Т-150 СМД-60

На тракторах Т-150 и Т-150К с двигателем СМД-60 использовался дополнительный бензомотор П-350. Этот пусковой двигатель карбюраторного типа, одноцилиндровый, с системой водяного охлаждения генерировал 13,5 л.с. Контур водяного охлаждения у пусковой установки и СМД-60 единый. П-350 в свою очередь запускался стартером СТ-352Д.

Для облегчения запуска в зимнее время (ниже 5 градусов) двигатель СМД-60 оборудовали предпусковым прогревателем ПЖБ-10.

Технические характеристики двигателя СМД-60 на Т-150/Т-150К

Тип двигателя	дизельный ДВС
Количество тактов
Количество цилиндров
Порядок работы цилиндров
Смесеобразование	непосредственный впрыск
Турбонаддув
Система охлаждения	жидкостная
Объем двигателя
Мощность
Степень сжатия
Масса двигателя
Средний расход

Двигатель Т-150 СМД-62

Одной из первых модификаций трактора Т-150 стал двигатель СМД-62. Он был разработан на основе движка СМД-60 и во многом имел схожую с ним конструкцию. Главным отличием стала установка компрессора на пневмосистему. Также у двигателя СМД-62 на Т-150 увеличилась мощность до 165 л.с. и число оборотов.

Технические характеристики двигателя СМД-62 на Т-150/Т-150К

Тип двигателя	дизельный ДВС
Количество тактов
Количество цилиндров
Порядок работы цилиндров
Смесеобразование	непосредственный впрыск
Турбонаддув
Система охлаждения	жидкостная
Объем двигателя
Мощность
Степень сжатия
Масса двигателя
Средний расход

Двигатель Т-150 ЯМЗ 236

Более современной модификацией является трактор Т-150 с двигателем ЯМЗ 236. С мотором ЯМЗ-236М2-59 спецтехника производится по сей день.

Необходимость замены силового агрегата назревала годами - мощности первоначального двигателя СМД-60 и его преемника СМД-62 в некоторых ситуациях просто не хватало. Выбор пал на более производительный и экономичный дизельный мотор производства Ярославского моторного завода.

Впервые эту установку в широкое производство запустили в 1961 году, но проект и прототипы существовали с 50-х годов и весьма неплохо себя зарекомендовали. Долгое время двигатель ЯМЗ 236 оставался одним из лучших дизелей в мире. Несмотря на то, что с момента разработки конструкции прошло почти 70 лет, она остается актуальной до сих пор и используется в том числе в новых современных тракторах.

Особенности двигателя ЯМЗ-236 на Т-150

Трактор Т-150 с двигателем ЯМЗ-236 серийно выпускался в разных модификациях. В свое время устанавливались и атмосферные моторы, и турбированные. В количественном отношении наиболее популярной стала версия Т-150 с двигателем ЯМЗ-236 ДЗ - атмосферником с рабочим объемом 11,15 л, крутящим моментом 667 Нм и мощностью 175 л.с., который запускался электростартером.

Технические характеристики двигателя ЯМЗ-236Д3 на Т-150/Т-150К

Тип двигателя	дизельный ДВС
Количество тактов
Количество цилиндров
Смесеобразование	непосредственный впрыск
Турбонаддув
Система охлаждения	жидкостная
Объем двигателя
Мощность
Масса двигателя
Средний расход

Двигатель ЯМЗ-236 на современных Т-150

На новые колесные и гусеничные тракторы Т-150 устанавливается двигатель ЯМЗ-236 М2-59. Этот мотор с унифицирован с ЯМЗ-236, который выпускался до 1985 года, и ЯМЗ-236М, выпуск которого прекратился в 1988 г.

Двигатель ЯМЗ-236М2-59 - это дизельный атмосферный движок, непосредственным впрыском топлива и водяным охлаждением. Мотор имеет шесть цилиндров, расположенных V-образно.

Технические характеристики двигателя ЯМЗ-236М2-59 на Т-150/Т-150К

Тип двигателя	дизельный ДВС
Количество тактов
Количество цилиндров
Смесеобразование	непосредственный впрыск
Турбонаддув
Система охлаждения	жидкостная
Объем двигателя
Мощность
Масса двигателя
Средний расход

Переоборудование тракторов Т-150: установка неродных двигателей

Одной из причин, по которой тракторы Т-150 и Т-150К получили такую популярность, является их высокая ремонтопригодность и простота обслуживания. Машины можно легко переоборудовать и установить другое, неродное оборудование, которое было бы эффективнее для выполнения конкретных задач.

Л етом 2017 года научно-техническое сообщество облетела новость – молодой учёный из Екатеринбурга победил в общероссийском конкурсе инновационных проектов в области энергетики. Конкурс называется «Энергия прорыва», к участию допускаются учёные не старше 45 лет, и Леонид Плотников, доцент «Уральского федерального университета имени первого президента России Б.Н. Ельцина» (УрФУ), удостоился в нём приза в 1 000 000 рублей.

Сообщалось, что Леонид разработал четыре оригинальных технических решения и получил семь патентов для систем впуска и выпуска ДВС, как турбированных, так и атмосферных. В частности, доработка впускной системы турбомотора «по методу Плотникова» способна исключить перегрев, снизить шумность и количество вредных выбросов. А модернизация выпускной системы турбированного ДВС на 2% повышает КПД и на 1,5% снижает удельный расход топлива. В итоге мотор становится более экологичным, стабильным, мощным и надёжным.

Действительно ли всё это так? В чём суть предложений учёного? Нам удалось побеседовать с победителем конкурса и всё разузнать. Из всех оригинальных технических решений, разработанных Плотниковым, мы остановились как раз на обозначенных выше двух: доработанных системах впуска и выпуска турбированных моторов. Возможно, стиль изложения поначалу покажется вам сложным для восприятия, но читайте вдумчиво, и в конце мы доберёмся до сути.

Проблемы и задачи

Авторство описанных ниже разработок принадлежит группе учёных УрФУ, в которую входят доктор технических наук, профессор Бродов Ю.М., доктор физико-математических наук, профессор Жилкин Б.П. и кандидат технических наук, доцент Плотников Л.В. Работа именно этой группы удостоилась гранта в миллион рублей. В инженерной проработке предлагаемых технических решений им помогали специалисты ООО «Уральский дизель-моторный завод», а именно, начальник отдела, кандидат технических наук Шестаков Д.С. и заместитель главного конструктора, кандидат технических наук Григорьев Н.И.

Одним из ключевых параметров их исследования стала теплоотдача, идущая от потока газа в стенки впускного или выпускного трубопровода. Чем теплоотдача ниже, тем меньше термические напряжения, выше надёжность и производительность системы в целом. Для оценки интенсивности теплоотдачи используют параметр, который называется локальным коэффициентом теплоотдачи (он обозначается как αх), и задача исследователей состояла в том, чтобы найти пути уменьшения этого коэффициента.

Рис. 1. Изменение локального (lх = 150 мм) коэффициента теплоотдачи αх (1) и скорости потока воздуха wх (2) во времени τ за свободным компрессором турбокомпрессора (далее – ТК) при гладком круглом трубопроводе и разных частотах вращения ротора ТК: а) nтк = 35 000 мин-1; б) nтк = 46 000 мин-1

Вопрос для современного двигателестроения серьёзный, поскольку газовоздушные тракты входят в перечень наиболее термонагруженных элементов современных ДВС, и особенно остро задача снижения теплоотдачи в впускном и выпускном трактах стоит для турбированных двигателей. Ведь в турбомоторах, по сравнению с атмосферниками, повышены давление и температура на впуске, увеличена средняя температура цикла, выше пульсация газа, которая вызывает термомеханические напряжения. Термонагруженность ведёт к усталости деталей, снижает надёжность и срок службы элементов двигателя, а также приводит к неоптимальным условиям сгорания топлива в цилиндрах и падению мощности.

Учёные считают, что термическую напряженность турбодвижка можно снизить, и тут, как говорится, есть нюанс. Обычно для турбокомпрессора считаются важными две его характеристики – давление наддува и расход воздуха, а сам узел в расчётах принимается статичным элементом. Но на самом деле, отмечают исследователи, после установки турбокомпрессора существенно изменяются тепломеханические характеристики потока газа. Поэтому прежде чем изучать то, как меняется αх на впуске и выпуске, надо исследовать сам поток газа закомпрессором. Сначала – без учёта поршневой части двигателя (что называется, за свободным компрессором, см. рис. 1), а потом – вместе с ней.

Была разработана и создана автоматизированная система сбора и обработки экспериментальных данных – с пары датчиков снимались и обрабатывались значения скорости потока газа wх и локального коэффициента теплоотдачи αх. Кроме того, была собрана одноцилиндровая модель двигателя на базе мотора ВАЗ-11113 с турбокомпрессором ТКР-6.

Рис. 2. Зависимость локального (lх = 150 мм) коэффициента теплоотдачи αх от угла поворота коленчатого вала φ во впускном трубопроводе поршневого ДВС с наддувом при разных частотах вращения коленчатого вала и разных частотах вращения ротора ТК: а) n = 1 500 мин-1; б) n = 3 000 мин-1, 1 - n = 35 000 мин-1; 2 - nтк = 42 000 мин-1; 3 - nтк = 46 000 мин-1

Проведённые исследования показали, что турбокомпрессор – мощнейший источник турбулентности, которая влияет на тепломеханические характеристики потока воздуха (см. рис. 2). Кроме того, исследователи установили, что сама по себе установка турбокомпрессора повышает αх на впуске двигателя примерно на 30% - отчасти из-за того, что воздух после компрессора просто значительно горячее, чем на впуске атмосферного мотора. Была замерена и теплоотдача на выпуске мотора с установленным турбокомпрессором, и оказалось, что чем выше избыточное давление, тем менее интенсивно происходит теплоотдача.

Рис. 3. Схема впускной системы двигателя с наддувом с возможностью сброса части нагнетаемого воздуха: 1 - впускной коллектор; 2 - соединительный патрубок; 3 - соединительные элементы; 4 - компрессор ТК; 5 - электронный блок управления двигателем; 6 - электропневмоклапан].

В сумме получается, что для снижения термонагруженности необхожимо следующее: во впускном тракте нужно уменьшать турбулентность и пульсацию воздуха, а на выпуске – создавать дополнительное давление или разрежение, разгоняя поток – это снизит теплоотдачу, а кроме того, положительно скажется на очистке цилиндров от отработанных газов.

Все эти вроде бы очевидные вещи нуждались в детальных замерах и в анализе, которого никто ранее не делал. Именно полученные цифры позволили выработать меры, которые в будущем способны если не произвести революцию, то уж точно вдохнуть, в прямом смысле слова, новую жизнь во всю отрасль двигателестроения.

Рис. 4. Зависимость локального (lх = 150 мм) коэффициента теплоотдачи αх от угла поворота коленчатого вала φ во впускном трубопроводе поршневого ДВС с наддувом (nтк = 35 000 мин-1) при частоте вращения коленчатого вала n = 3 000 мин-1. Доля сброса воздуха: 1 - G1 = 0,04; 2 - G2 = 0,07; 3 - G3 = 0,12].

Сброс избытка воздуха на впуске

Во-первых, исследователи предложили конструкцию, позволяющую стабилизировать поток воздуха на впуске (см. рис. 3). Электропневмоклапан, врезанный во впускной тракт после турбины и в определённые моменты сбрасывающий часть сжатого турбокомпрессором воздуха, стабилизирует поток– уменьшает пульсацию скорости и давления. В итоге это должно привести к снижению аэродинамического шума и термических напряжений во впускном тракте.

А сколько же нужно сбросить, чтобы система эффективно работала, не ослабляя значительно эффекта турбонаддува? На рисунках 4 и 5 мы видим результаты проведённых замеров: как показывают исследования, оптимальная доля сбрасываемого воздуха G лежит в диапазоне от 7 до 12% – такие значения снижают теплоотдачу (а значит – и термонагруженность) во впускном тракте двигателя до 30%, то есть, приводят её к значениям, характерным для атмосферных моторов. Дальше увеличивать долю сброса смысла нет – эффекта это уже не даёт.

Рис. 5. Сравнение зависимостей локального (lх = 150 мм, d = 30 мм) коэффициента теплоотдачи αх от угла поворота коленчатого вала φ во впускном трубопроводе поршневого ДВС с наддувом без сброса (1) и со сбросом части воздуха (2) при nтк = 35 000 мин-1 и n = 3 000 мин-1, доля сброса избыточного воздуха равна 12% от общего расхода].

Эжекция на выпуске

Ну а что же выпускная система? Как мы говорили выше, она в турбированном моторе тоже работает в условиях повышенных температур, а кроме того, выпуск всегда хочется сделать как можно более способствующим максимальной очистке цилиндров от отработавших газов. Традиционные методы решения этих задач уже исчерпаны, есть ли тут ещё какие-то резервы для улучшения? Оказывается, есть.

Бродов, Жилкин и Плотников утверждают, что улучшить газоочистку и надёжность выпускной системы можно путём создания в ней дополнительного разрежения, или эжекции. Эжекционный поток, по мнению разработчиков, так же, как и клапан на впуске, снижает пульсацию потока и увеличивает объёмный расход воздуха, что способствует лучшей очистке цилиндров и повышению мощности двигателя.

Рис. 6. Схема выпускной системы с эжектором: 1 – головка цилиндра с каналом; 2 – выпускной трубопровод; 3 – труба выхлопная; 4 – эжекционная трубка; 5 – электропневмоклапан; 6 – электронный блок управления].

Эжекция положительно влияет на теплоотдачу от выпускных газов к деталям выпускного тракта (см. рис. 7): с такой системой максимальные значения локального коэффициента теплоотдачи αхполучаются на 20% ниже, чем при традиционном выпуске – за исключением периода закрытия впускного клапана, тут интенсивность теплоотдачи, напротив, несколько выше. Но в целом теплоотдача всё равно меньше, и исследователи сделали предположение, что эжектор на выпуске турбомотора повысит его надёжность, так как снизит теплоотдачу от газов стенкам трубопровода, а сами газы будут охлаждаться эжекционным воздухом.

Рис. 7.Зависимости локального (lх = 140 мм) коэффициента теплоотдачи αх от угла поворота коленчатого вала φ в выпускной системе при избыточном давлении выпуска рb = 0,2 МПа и частоте вращения коленчатого вала n = 1 500 мин-1. Конфигурация выпускной системы: 1 - без эжекции; 2 - с эжекцией.]

А если объединить?..

Получив такие выводы на экспериментальной установке, учёные пошли дальше и применили полученные знания на реальном двигателе – в качестве одного из «подопытных» был выбран дизель 8ДМ-21ЛМ производства ООО «Уральский дизель-моторный завод».Такие моторы применяются в качестве стационарных энергоустановок. Кроме того, в работах использовался и «младший брат» 8-цилиндрового дизеля, 6ДМ-21ЛМ, также V-образный, но имеющий шесть цилиндров.

Рис. 8. Установка электромагнитного клапана для сброса части воздуха на дизеле 8ДМ-21ЛМ: 1 - клапан электромагнитный; 2 - впускной патрубок; 3 - кожух выпускного коллектора; 4 - турбокомпрессор.

На «младшем» моторе была реализована система эжекции на выпуске, логично и весьма остроумно объединённая с системой сброса давления на впуске, которую мы рассмотрели чуть ранее – ведь как было показано на рисунке 3, сбрасываемый воздух может использоваться для нужд двигателя. Как видим (рис. 9), над выпускным коллектором проложены трубки, в которые подаётся воздух, забранный со впуска – это то самое избыточное давление, создающее турбулентность после компрессора. Воздух из трубок «раздаётся» через систему электроклапанов, которые стоят сразу за выпускным окном каждого из шести цилиндров.

Рис. 9. Общий вид модернизированной выпускной системы двигателя 6ДМ-21ЛМ: 1 – выпускной трубопровод; 2 – турбокомпрессор; 3 – газоотводящий патрубок; 4 – система эжекции.

Такое эжекционное устройство создаёт дополнительное разрежение в выпускном коллекторе, что ведёт к выравниванию течения газов и ослаблению переходных процессов в так называемом переходном слое. Авторы исследования замерили скорость потока воздуха wх в зависимости от угла поворота коленчатого вала φ с применением эжекции на выпуске и без неё.

Из рисунка 10 видно, что при эжекции максимальная скорость потока выше, а после закрытия выпускного клапана она падает медленнее, чем в коллекторе без такой системы – получается своеобразный «эффект продувки». Авторы говорят, что результаты свидетельствуют о стабилизации потока и лучшей очистке цилиндров двигателя от отработавших газов.

Рис. 10. Зависимости местной (lx = 140 мм, d = 30 мм) скорости потока газа wх в выпускном трубопроводе с эжекцией (1) и традиционном трубопроводе (2) от угла поворота коленчатого вала φ при частоте вращения коленчатого вала n = 3000 мин-1 и начальном избыточном давлении pb = 2,0 бар.

Что в итоге

Итак, давайте по порядку. Во-первых, если из впускного коллектора турбомотора сбрасывать небольшую часть сжатого компрессором воздуха, можно снизить теплоотдачу от воздуха к стенкам коллектора до 30% и при этом сохранить массовый расход воздуха, поступающего в мотор, на нормальном уровне. Во-вторых, если применить эжекцию на выпуске, то теплоотдачу в выпускном коллекторе тоже можно существенно снизить – проведённые замеры дают величину около 15%, – а также улучшить газоочистку цилиндров.

Объединяя показанные научные находки для впускного и выпускного трактов в единую систему, мы получим комплексный эффект: забирая часть воздуха со впуска, передавая её на выпуск и точно синхронизировав эти импульсы по времени, система будет выравнивать и «успокаивать» процессы течения воздуха и отработавших газов. В результате мы должны получить менее термонагруженный, более надёжный и производительный по сравнению с обычным турбомотором двигатель.

Итак, результаты получены в лабораторных условиях, подтверждены математическим моделированием и аналитическими расчетами, после чего создан опытный образец, на котором проведены испытания и подтверждены положительные эффекты. Пока всё это реализовано в стенах УрФУ на большом стационарном турбодизеле (моторы такого типа используют также на тепловозах и судах), однако заложенные в конструкцию принципы могли бы прижиться и на моторах поменьше – представьте, например, что ГАЗ Газель, УАЗ Патриот или LADA Vesta получают новый турбомотор, да ещё с характеристиками лучше, чем у зарубежных аналогов… Возможно ли, чтобы новая тенденция в двигателестроении началась в России?

Есть у учёных из УрФУ и решения для снижения термонагруженности атмосферных моторов, и одно из них – профилирование каналов: поперечное (путём введения вставки квадратного или треугольного сечения) и продольное. В принципе, по всем этим решениям сейчас можно строить рабочие образцы, проводить испытания и при их положительном исходе запускать серийное производство – заданные проектно-конструкторские направления, по мнению учёных, не требуют значительных финансовых и временных затрат. Теперь должны найтись заинтересованные производители.

Леонид Плотников говорит, что считает себя в первую очередь учёным и не ставит цели коммерциализировать новые разработки.

Среди целей я, скорее, назвал бы проведение дальнейших исследований, получение новых научных результатов, разработку оригинальных конструкций газовоздушных систем поршневых ДВС. Если мои результаты будут полезны промышленности, то я буду рад. По опыту знаю, что внедрение результатов – очень сложный и трудоемкий процесс, и если в него погружаться, то на науку и преподавание не останется времени. А я больше склонен именно к области образования и науки, а не к промышленности и бизнесу

доцент «Уральского федерального университета имени первого президента России Б.Н. Ельцина» (УрФУ)

Однако добавляет, что уже начался процесс внедрения результатов исследования на энергомашины ПАО «Уралмашзавод». Темпы внедрения пока невысоки, вся работа находится на начальном этапе, и конкретики очень мало, однако заинтересованность у предприятия есть. Остаётся надеяться на то, что результаты этого внедрения мы всё же увидим. А также на то, что работа учёных найдёт применение в отечественном автопроме.

А как вы оцениваете результаты исследования?

Мощность, которую может развить двигатель внутреннего сгорания, зависит от количества воздуха и смешанного с ним топлива, которое может быть подано в двигатель. Если нужно увеличить мощность двигателя, нужно увеличить как количество подаваемого воздуха, так и топлива. Подача большего количества топлива не даст эффекта до тех пор, пока не появится достаточное для его сгорания количество воздуха, иначе образуется избыток несгоревшего топлива, что приводит к перегреву двигателя, который к тому же при этом сильно дымит.

Увеличение мощности двигателя может быть достигнуто путем увеличения либо его рабочего объема, либо оборотов. Увеличение рабочего объема сразу же увеличивает вес, размеры двигателя и, в конечном итоге, его стоимость. Увеличение оборотов проблематично из-за возникающих при этом технических проблем, особенно в случае двигателя со значительным рабочим объемом.

Системы наддува, сжимающие воздух, подаваемый в камеру сгорания двигателя, и увеличивающие массу этого воздуха, позволяют повысить мощность двигателя при данных рабочем объеме и частоте вращения коленчатого вала.

Для двигателей внутреннего сгорания применяются компрессоры двух типов: с механическим приводом и турбокомпрессоры, использующие энергию отработавших газов. Кроме того, существуют также комбинированные системы, например, турбокомпаундная. В случае компрессора с механическим приводом необходимое давление воздуха получают благодаря механической связи между коленвалом двигателя и компрессором (муфта). В турбокомпрессоре давление воздуха получают благодаря вращению турбины потоком отработавших газов.

Турбокомпрессор был впервые сконструирован швейцарским инженером Бюши еще в 1905 году, но только много лет спустя он был доработан и использован на серийных двигателях с большим рабочим объемом.

В принципе, любой турбокомпрессор состоит из центробежного воздушного насоса и турбины, связанных при помощи жесткой оси между собой. Оба эти элемента вращаются в одном направлении и с одинаковой скоростью. Энергия потока отработавших газов, которая в обычных двигателях не используется, преобразуется здесь в крутящий момент, приводящий в действие компрессор. Выходящие из цилиндров двигателя отработавшие газы имеют высокую температуру и давление. Они разгоняются до большой скорости и вступают в контакт с лопатками турбины, которая и преобразует их кинетическую энергию в механическую энергию вращения (крутящий момент).

Это преобразование энергии сопровождается снижением температуры газов и их давления. Компрессор засасывает воздух через воздушный фильтр, сжимает его и подает в цилиндры двигателя. Количество топлива, которое можно смешать с воздухом, при этом можно увеличить, что позволяет двигателю развивать большую мощность. Кроме того, улучшается процесс сгорания, что позволяет увеличить характеристики двигателя в широком диапазоне чисел оборотов.

Между двигателем и турбокомпрессором существует связь только через поток отработавших газов. Частота вращения ротора турбокомпрессора не зависит от частоты вращения коленчатого вала двигателя, но она в значительной степени определяется балансом энергии, получаемой турбиной и отдаваемой компрессору.

Для двигателей, работающих в широком диапазоне оборотов (в легковом автомобиле), высокое давление наддува желательно даже на низких оборотах.

Именно поэтому будущее принадлежит турбокомпрессорам с регулируемым давлением. Небольшой диаметр современных турбин и специальные сечения газовых каналов способствуют уменьшению инерционности, т.е. турбина очень быстро разгоняется, и давление воздуха очень быстро достигает требуемого значения. Регулировочный клапан следит за тем, чтобы давление наддува не возрастало выше определенного значения, при превышении которого двигатель может быть поврежден.

Двигатель, оснащенный турбокомпрессором, обладает техническими и экономическими преимуществами по сравнению с атмосферным (безнаддувным) двигателем.

Основные преимущества турбокомпрессорного двигателя:

соотношение “масса/мощность” у двигателя с турбокомпрессором выше, чем у атмосферного двигателя;

двигатель с турбокомпрессором менее громоздок, чем атмосферный двигатель той же мощности;

кривая крутящего момента двигателя с турбокомпрессором может быть лучше адаптирована к специфическим условиям эксплуатации.

Кроме того, можно на базе атмосферных двигателей создавать версии, оснащенные турбокомпрессором и различающиеся по мощности.

Еще более ощутимы преимущества двигателя с турбокомпрессором на высоте. Атмосферный двигатель теряет мощность из-за разряжения воздуха, а турбокомпрессор, обеспечивая повышенную подачу воздуха, компенсирует снижение атмосферного давления, почти не ухудшая характеристики двигателя. Количество нагнетаемого воздуха станет лишь ненамного меньше, чем на более низкой высоте, то есть двигатель практически сохраняет свою мощность.

Кроме того:

двигатель с турбокомпрессором обеспечивает лучшее сгорание топлива, что приводит к меньшему расходу топлива;

поскольку турбокомпрессор улучшает сгорание, он также способствует уменьшению токсичности отработавших газов;

двигатель, оснащенный турбокомпрессором, работает более стабильно, чем его;

атмосферный аналог той же мощности, а будучи меньшим по размеру, он производит меньше шума. Кроме того, турбокомпрессор играет также роль своеобразного глушителя в системе выпуска.

Расширение производства материалов, обладающих высокими температурными характеристиками, улучшение качества моторных масел, применение жидкостного охлаждения корпуса турбокомпрессора, электронное управление регулирующими клапанами - все это способствовало тому, что турбокомпрессоры стали использоваться на мелкосерийных бензиновых двигателях.

В случае установки турбокомпрессора на бензиновый двигатель возникают специфические требования:

обеспечение герметичности масло-газовых каналов турбокомпрессора;

повышение качества материалов турбины;

усовершенствование регулировочного клапана;

охлаждение корпуса оси.

На нормально работающем двигателе, который своевременно и качественно обслуживается, турбокомпрессор может безотказно работать в течение долгих лет.

Появление неисправностей может быть следствием:

недостаточного количества масла;

попадания в турбокомпрессор посторонних предметов;

загрязненного масла.