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.

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.

Какие критерии считают ключевыми для выбора «самого-самого»? Есть ли принципиальные отличия в подходе к конструированию на разных континентах? Попробуем найти ответы на эти вопросы.

ЕВРОПА: В РЕЖИМЕ ЭКОНОМИИ

На недавней пресс-конференции в Лондоне глава концерна «Пежо-Ситроен» Жан-Мартин Фольц весьма неожиданно для многих отозвался о гибридных автомобилях: «Посмотрите вокруг: таких машин в Европе менее 1%, тогда как доля дизелей достигает половины». По мнению господина Фольца, современный дизель гораздо дешевле в производстве, будучи не менее экономичен и экологичен.

Времена, когда дизели оставляли за собой черный шлейф, тарахтели на всю улицу и заметно уступали по литровой мощности бензиновым моторам, прошли. Сегодня удельная доля дизелей в Европе составляет 52% и продолжает расти. Толчок дают, например, экологические бонусы в виде сниженных налогов, но прежде всего - дороговизна бензина.

Прорыв на дизельном фронте произошел к концу 90-х, когда в серию пошли первые моторы с «коммон рейл» - общей топливной рампой. С тех пор давление в ней неуклонно растет. В новейших двигателях оно достигает 1800 атмосфер, а ведь еще недавно 1300 атмосфер считались выдающимся показателем.

На очереди - системы с двукратным повышением давления впрыска. Сначала насос нагнетает топливо в аккумулирующий резервуар до 1350 атм. Затем давление поднимают до 2200 атм, под которыми оно и поступает в форсунки. Под таким давлением топливо впрыскивают через отверстия меньшего диаметра. Это улучшает качество распыла, повышает точность дозировки. Отсюда выигрыш в экономичности и мощности.

Уже не первый год применяют пилотный впрыск: первая «партия» горючего поступает в цилиндры чуть раньше основной дозы, чем достигается более мягкая работа мотора и чистый выхлоп.

Помимо «коммон рейла», есть иное техническое решение, чтобы поднять давление впрыска на небывалую высоту. Насос-форсунки перебрались с грузовых моторов и на легковые дизели. Им привержен, в частности, «Фольксваген », составляя здоровую конкуренцию «общей рампе».

Одним из камней преткновения на пути дизеля всегда был экологический. Если бензиновые моторы журили за угарный газ, окиси азота и углеводороды в выхлопе, то дизели - за соединения азота и частицы сажи. Введение в прошлом году норм Евро IV далось непросто. С окислами азота справились посредством нейтрализатора, а вот сажу ловит особый фильтр. Он служит до 150 тыс. км, после чего его либо меняют, либо «прокаливают». По команде управляющей электроники в цилиндр подаются отработавшие газы из системы рециркуляции и большая доза топлива. Температура выхлопа повышается, и сажа выгорает.

Примечательно, что большинство новых дизелей могут работать на биодизельном горючем: в его основе лежат растительные масла, а не нефтепродукты. Это горючее менее агрессивно к окружающей среде, поэтому его массовая доля на рынке Европы должна достигнуть к 2010 году 30%.

Пока же специалисты отмечают совместную разработку «Дженерал моторс» и ФИАТ - один из «Двигателей года 2005». Малолитражный дизель благодаря электронике способен оперативно менять параметры впрыска и тем самым обеспечивать больший момент и быстрый пуск двигателя. Широкое использование алюминия, существенно снизившее массу и размеры, в сочетании с достаточной мощностью 70 л.с. и немалым крутящим моментом 170 Н.м позволили 1,3-литровому мотору набрать большое число голосов.

Учитывая все достижения на дизельном фронте, можно смело утверждать - ближайшее будущее Европы именно за этими двигателями. Они становятся мощнее, тише и удобнее для повседневной езды. С учетом теперешних цен на нефть потеснить их в Старом Свете не способен ни один из существующих типов двигателей.

АЗИЯ: БОЛЬШЕ СИЛ НА ЛИТР

Главное достижение японских двигателистов за последний десяток лет - высокая литровая мощность. Загнанные законодательством в узкие рамки, инженеры ухитряются добиться отменных результатов самыми разными способами. Яркий пример - изменяемые фазы газораспределения. В конце 80-х японская «Хонда » с ее системой VTEC совершила настоящий переворот.

Необходимость варьировать фазы диктуется различными режимами движения: в городе важнее всего экономичность и крутящий момент на низких оборотах, на трассе - на высоких. Отличаются и пожелания покупателей в разных странах. Раньше настройки мотора были постоянными, теперь же стало возможным менять их в буквальном смысле на ходу.

Современные моторы «Хонда » оснащают несколькими типами VTEC, в том числе и трехступенчатым устройством. Здесь корректируются параметры не только на низких и высоких оборотах, но и на средних. Так удается совместить несовместимое: высокую удельную мощность (до 100 л.с./л), расход топлива в режиме 60–70 км/ч на уровне 4 л на сотню и высокий крутящий момент в диапазоне от 2000 до 6000 об/мин.

В результате японцы успешно снимают высокую мощность с весьма скромных объемов. Рекордсменом по этому показателю который год подряд остается родстер «Honda S2000 » с безнаддувным 2-литровым двигателем мощностью 250 л.с. Несмотря на то, что мотор появился еще в 1999 году, он по-прежнему в числе лучших - второе место среди претендентов 2005 года объемом 1,8–2,0 л. Вторым бесспорным достижением японцев являются гибридные установки. «Гибрид Синержи Драйв» производства «Тойоты» отметился среди призеров не один раз, набрав наибольшее число баллов в номинации «экономичный двигатель». Заявленный показатель - 4,2 л/100 км для такой немаленькой машины, как «Тойота Приус », безусловно хорош. Мощность «Синержи Драйв» достигает 110 л.с., а суммарный момент бензиноэлектрической установки- выдающийся - 478 Н.м!

Кроме топливной экономичности, подчеркивается экологический аспект: выброс углеводородов и окислов азота у мотора на 80 и 87,5% ниже, чем того требуют нормы Евро IV для бензиновых моторов, и на 96% ниже требований к дизелям. Таким образом, «Синержи Драйв» с запасом укладывается в самые жесткие в мире рамки - ZLEV, планируемые к введению в Калифорнии.

В последние годы наметилась любопытная тенденция: применительно к гибридам речь все реже идет об абсолютных рекордах экономичности. Возьмем «Lexus RX 400h». Этот автомобиль расходует вполне обычные 10 л в городском цикле. С одной оговоркой - это очень мало, учитывая мощность основного мотора 272 л.с. и момент 288 Н.м!

Если японским компаниям, в первую очередь «Тойоте» и «Хонде», удастся снизить себестоимость агрегатов, продажи гибридов могут подскочить на порядок уже в ближайшие 5–10 лет.

АМЕРИКА: ДЕШЕВО И СЕРДИТО

На форумах американских автомобилей после проведения конкурса «Двигатель года» обязательно возникают дебаты: как это так, в числе победителей нет ни одного двигателя нашей разработки! Все просто: американцы, несмотря на продолжающийся топливный кризис, не слишком преуспели в экономии бензина, а про дизельное топливо и слышать не хотят! Но это не значит, что им нечем похвастать.

К примеру, «крайслеровские» моторы серии «Хеми», блиставшие на мощных моделях (их традиционно именуют в США «масл карз») еще в 50-х. Их название ведет родословную от английского hemispherical - полусферический. Конечно, за полвека многое изменилось, но, как и раньше, у современных «хеми» полусферические камеры сгорания.

Традиционно во главе линейки моторов стоят агрегаты неприличного по европейским меркам литража - вплоть до 6,1 л. Стоит открыть проспект, в глаза бросается разница в подходах к конструированию. «Лучшая в классе мощность», «самый быстрый разгон», «низкий уровень шума»… о расходе топлива говорится вскользь. Хотя он, конечно, небезразличен инженерам. Просто приоритеты несколько иные - динамические характеристики и… невысокая себестоимость агрегата.

В моторах «Хеми» нет изменяемых фаз. Они не столь форсированы и не могут даже близко подойти к лучшим японским агрегатам по литровой мощности. Зато в них применена хитроумная система MDS (Multi Displacement System - система нескольких объемов). Как намекает название, ее смысл кроется в отключении четырех из восьми цилиндров двигателя, когда не требуется использовать все 335 «лошадей» и 500 Н.м момента, например у двигателя объемом 5,7л. На отключение уходит всего 40 миллисекунд. Подобные системы прежде использовал «Джи-Эм», а у «Крайслера» это первый опыт. По заверению фирмы, MDS позволяет сэкономить до 20% топлива, в зависимости от манеры вождения. Боб Ли, вице-президент отделения двигателей «Крайслер », очень горд новым мотором: «Отключение цилиндров происходит элегантно и просто… преимущества - надежность и низкая цена».

Естественно, отключаемыми цилиндрами американские инженеры не ограничиваются. Они готовят и совсем другие разработки, например силовые установки на топливных элементах. Судя по появлению все новых концепт-каров именно с такими моторами, их будущее рисуется в розовых тонах.

Конечно, мы отметили лишь наиболее яркие особенности «национального двигателестроения». Современный мир слишком тесен, чтобы в нем бок о бок существовали принципиально разные культуры, не оказывая влияния друг на друга. Быть может, однажды выведут рецепт идеального «глобального» мотора? Пока каждый предпочитает бежать своей дорожкой: Европа готовится перевести чуть не половину парка на рапсовое масло; Америка хоть и старается не замечать происходящих в мире перемен, постепенно отвыкает от прожорливых мастодонтов и раздумывает над переводом инфраструктуры всей страны на водородное топливо; ну а Япония… как всегда, берет высокими технологиями и ошеломляющей скоростью их внедрения в жизнь.

ДИЗЕЛЬ «ПСА-ФОРД»

В ближайшее время начнется производство двух новых моторов, разработанных совместно концерном «Пежо-Ситроен» и «Фордом» (журналистам их представляет инженер «Форда» Фил Лэйк). Дизели объемом 2,2 л адресованы коммерческим и легковым автомобилям. Система «коммон рейл» отныне работает под давлением 1800 атм. Топливо впрыскивается в камеру сгорания через семь 135-микронных отверстий в пьезоэлектрических форсунках (ранее их было пять). Теперь стало возможным впрыскивать топливо до шести раз за один оборот коленчатого вала. Результат - более чистый выхлоп, экономия топлива, снижение вибраций.

Применили два компактных малоинерционных турбокомпрессора. Первый ответствен исключительно за «низы», второй подключается после 2700 об/мин, обеспечивая плавную кривую крутящего момента, достигающего 400 Н.м при 1750 об/мин и мощности 125 л.с. при 4000 об/мин. Масса двигателя по сравнению с предыдущим поколением снижена на 12 кг благодаря новой архитектуре блока цилиндров.

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.

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?