Двигун трактора Т-150: марки, встановлення, переобладнання

Трактори Т-150 та Т-150К розроблялися інженерами Харківського тракторного заводу. Ця модель змінила іншу оригінальну розробку ХТЗ – Т-125, випуск якої припинили у 1967 році.

Т-150 був у розробці кілька років і вступив у серійне виробництво 1971 року. Спочатку це була модель Т-150К - трактор на колісній базі. З 1974 року розпочався випуск гусеничного трактора з маркуванням Т-150.

Принцип, закладений інженерами ХТЗ розробки Т-150 і Т-150 До, полягав у максимальної уніфікації цих моделей. Колісний та гусеничний трактори мають настільки схожу конструкцію, наскільки це можливо з урахуванням різних рушіїв. У зв'язку з цим більшість запчастин та вузлів маркуються для Т-150, але мається на увазі, що вони підходять і колісному трактору Т-150К.

Двигуни, що встановлюються на трактор Т-150

Мотори на тракторах Т-150 та Т-150К мають переднє розташування. До агрегату через муфту підключається зчеплення та коробка передач. На колісні та гусеничні трактори Т-150 встановлювалися двигуни:

• СМД-60,
• СМД-62,
• ЯМЗ-236.

Двигун Т-150 СМД-60

На перших тракторах Т-150 був дизельний двигун СМД-60. Мотор мав принципово відмінну конструкцію на той час і сильно відрізнявся від інших агрегатів для спецтехніки.

Двигун Т-150 СМД-60 є чотиритактним, короткоходовим. Має шість циліндрів, розташованих у 2 ряди. Мотор турбований, має системи рідинного охолодження та безпосереднього упорскування палива.

Особливістю двигуна трактора Т-150 СМД-60 є те, що циліндри розташовуються не один навпроти одного, а зі зміщенням на 3,6 см. Це було зроблено для того, щоб встановити одну шатунну шийку колінвала шатуни протилежних циліндрів.

p align="justify"> Конфігурація двигуна Т-150 СМД-60 кардинально відрізнялася від будови інших тракторних моторів того часу. Циліндри двигуна мали V-подібне компонування, що зробило його набагато компактнішим і легшим. У розвалі циліндрів інженери розташували турбонагнітач та випускні колектори. Насос, що подає дизель марки НД-22/6Б4 розміщений ззаду.

Двигун СМД-60 на Т-150 оснащений повнопоточною центрифугою для очищення моторної олії. Паливних фільтрів у двигуна два:

1. попередній,
2. для тонкого очищення.

Замість повітряного фільтра СМД-60 використовується установка циклонного типу. Система очищення повітря автоматично очищає пилозбірник.

Особливості двигуна Т-150 СМД-60

На тракторах Т-150 та Т-150К із двигуном СМД-60 використовувався додатковий бензомотор П-350. Цей пусковий двигун карбюраторного типу, одноциліндровий, із системою водяного охолодження генерував 13,5 л.с. Контур водяного охолодження у пускової установки та СМД-60 єдиний. П-350 у свою чергу запускався стартером СТ-352Д.

Для полегшення запуску взимку (нижче 5 градусів) двигун СМД-60 обладнали передпусковим прогрівачем ПЖБ-10.

Технічні характеристики двигуна СМД-60 на Т-150/Т-150К

Тип двигуна	дизельний ДВС
Кількість тактів
Кількість циліндрів
Порядок роботи циліндрів
Сумішоутворення	безпосереднє упорскування
Турбонаддув
Система охолодження	рідинна
Об'єм двигуна
Потужність
Ступінь стиснення
Маса двигуна
Середня витрата

Двигун Т-150 СМД-62

Однією з перших модифікацій трактора Т-150 став двигун СМД-62. Він був розроблений на основі двигуна СМД-60 і багато в чому мав схожу з ним конструкцію. Головною відмінністю стало встановлення компресора на пневмосистему. Також у двигуна СМД-62 на Т-150 збільшилася потужність до 165 л. та число оборотів.

Технічні характеристики двигуна СМД-62 на Т-150/Т-150К

Тип двигуна	дизельний ДВС
Кількість тактів
Кількість циліндрів
Порядок роботи циліндрів
Сумішоутворення	безпосереднє упорскування
Турбонаддув
Система охолодження	рідинна
Об'єм двигуна
Потужність
Ступінь стиснення
Маса двигуна
Середня витрата

Двигун Т-150 ЯМЗ 236

Більш сучасною модифікацією є трактор Т-150 із двигуном ЯМЗ 236. З мотором ЯМЗ-236М2-59 спецтехніка виробляється донині.

Необхідність заміни силового агрегату назрівала роками - потужності початкового двигуна СМД-60 та його наступника СМД-62 у деяких ситуаціях просто не вистачало. Вибір впав на більш продуктивний та економічний дизельний двигун виробництва Ярославського моторного заводу.

Вперше цю установку в широке виробництво запустили в 1961 році, але проект і прототипи існували з 50-х років і непогано зарекомендували себе. Довгий час двигун ЯМЗ 236 залишався одним із найкращих дизелів у світі. Незважаючи на те, що з моменту розробки конструкції минуло майже 70 років, вона залишається актуальною досі і використовується, зокрема, в нових сучасних тракторах.

Особливості двигуна ЯМЗ-236 на Т-150

Трактор Т-150 із двигуном ЯМЗ-236 серійно випускався у різних модифікаціях. Свого часу встановлювалися і атмосферні двигуни, і турбовані. У кількісному відношенні найбільш популярною стала версія Т-150 з двигуном ЯМЗ-236 ДЗ - атмосферником з робочим об'ємом 11,15 л, моментом, що крутить, 667 Нм і потужністю 175 к.с., який запускався електростартером.

Технічні характеристики двигуна ЯМЗ-236Д3 на Т-150/Т-150К

Тип двигуна	дизельний ДВС
Кількість тактів
Кількість циліндрів
Сумішоутворення	безпосереднє упорскування
Турбонаддув
Система охолодження	рідинна
Об'єм двигуна
Потужність
Маса двигуна
Середня витрата

Двигун ЯМЗ-236 на сучасних Т-150

На нові колісні та гусеничні трактори Т-150 встановлюється двигун ЯМЗ-236 М2-59. Цей мотор уніфікований з ЯМЗ-236, який випускався до 1985 року, і ЯМЗ-236М, випуск якого припинився в 1988 році.

Двигун ЯМЗ-236М2-59 - це дизельний атмосферний двигун, безпосереднім упорскуванням палива та водяним охолодженням. Двигун має шість циліндрів, розташованих V-образно.

Технічні характеристики двигуна ЯМЗ-236М2-59 на Т-150/Т-150К

Тип двигуна	дизельний ДВС
Кількість тактів
Кількість циліндрів
Сумішоутворення	безпосереднє упорскування
Турбонаддув
Система охолодження	рідинна
Об'єм двигуна
Потужність
Маса двигуна
Середня витрата

Переобладнання тракторів Т-150: встановлення нерідних двигунів

Однією з причин, через яку трактори Т-150 і Т-150К набули такої популярності, є їх висока ремонтопридатність та простота обслуговування. Машини можна легко переобладнати та встановити інше, нерідне обладнання, яке було б ефективніше для виконання конкретних завдань.

ВАТ "Серп та Молот"одне з найбільших машинобудівних підприємств у місті Харкові та в Україні. Протягом 50 років наше підприємство випускає двигуни для сільськогосподарських машин, значна частина яких успішно працює за кордоном.

Легендарні самохідні зернозбиральні комбайни СК-3, СК-4,СК-5, "Нива"і " " , високопродуктивні трактори Т-74, ДТ-75Н, ТДТ-55, ХТЗ-120-це лише кілька прикладів сільгоспмашин, на яких встановлені дизельні двигуни марки СМД. У колишньому СРСР 100 зерно- та кормозбиральних комбайнів, а також більшість тракторів комплектувалися нашими дизелями.

В кінці 80-хроків завод був реконструйований та отримав можливість виробляти абсолютно новий для Українита країн СНД 6-циліндровий рядний двигун потужністю 220-280 к.с.. Також був модернізований і 4-циліндровий двигун. Збільшилася його потужність до 160-170 к.с., при цьому підвищився технічний рівень конструкції кожного вузла, максимально збереглася уніфікація деталей та вузлів.

Сьогодні ВАТ "Серп та Молот"випускає близько сотні різних модифікацій рядних 4-х та 6-ти циліндрових двигунів потужністю від 60 до 280 к.с. для сільгосптехніки та інших машин.

Останнім часом двигуни встановлюються на нових конструкціях тракторів Харківського тракторного заводу. ХТЗ-120, ХТЗ-180, Т-156Ата інших, а також отримали застосування на зернозбиральних комбайнах, які виробляються в Україні "Славутич", та кормозбиральних комбайнах "Олімп"і "Полісся-250"(Тернопіль).

Паралельно з виробництвом двигунів, ВАТ "Серп та Молот"здійснює дозбірку та реалізацію тракторів ДТ-75Н та. Маємо можливість модернізувати трактори Т-150(гусеничний), заміна двигуна на рядний дизель СМД-19Т.02/20ТА.06при цьому потужність трактора не змінюється, а економічні та експлуатаційні характеристики покращуються.

Дизелі, крім тракторів та комбайнів, сьогодні можуть бути встановлені на автогрейдери, асфальтоукладачі, ковзанки, крани, бульдозери, залізничні крани та дрезини тощо.

Завод має можливість постачати на замовлення підприємств запасні частини до двигунів, виготовлених на нашому підприємстві, виконувати капітальні ремонти, встановлювати нові та модернізувати вузли та деталі.

Каталог АТ "ЛЕГАС" Москва 1998

Дизелі типу СМД- масові сільськогосподарські двигуни, ними комплектуються всі вітчизняні зернозбиральні комбайни та понад 60% тракторів. Дизелі цієї марки також встановлюються на кормо- та кукурудзозбиральні комбайни, екскаватори, підйомні крани та інші мобільні засоби. У зв'язку з цим інформація з питань використання, технічного обслуговування та ремонту, відомості про конструкції дизелів, їх виробники надзвичайно значущі.

У 1957 р. Головним спеціалізованим конструкторським бюро з двигунів (ДСКБД)було спроектовано та впроваджено про виробництво на Харківському заводі "Серп і молот"невеликий за масою швидкохідний дизель СМД-7потужністю 48 кВт (65 к.с.) для зернозбирального комбайна СК-3, що стало початком процесу дизелізації в комбайновій промисловості. Надалі розроблялися та послідовно впроваджувалися у серійне виробництво тракторні та комбайнові дизелі. СМД-12, -14, -14A, -15K, -15КФпотужністю від 55 (75) до 66 кВт (90 к.с.) Підвищення потужності дизелів, що розробляються, забезпечувалося збільшенням робочого об'єму циліндрів або підвищенням частоти обертання колінчастого валу. Всі ці типи дизелів мали вільний впуск повітря у циліндри.

Подальшими теоретичними та експериментальними дослідженнями з форсування тракторних та комбайнових дизелів, поліпшення їх паливної економічності, виконаними в ДСКБД, було визначено раціональний напрямок - застосування газотурбінного наддуву повітря в циліндри. Поряд з роботами щодо вибору оптимальної системи газотурбінного наддуву в ДСКБДздійснювалися дослідження, створені задля підвищення надійності основних деталей дизелів.

Першими вітчизняними дизелями сільськогосподарського призначення із газотурбінним наддувом були комбайнові дизелі. СМД-17К, -18Kпотужністю 77 кВт (105 к.с.) випуск яких було розпочато на заводі "Серп і молот" 1968-1969 рр.

Застосування газотурбінного наддуву про якість засобу підвищення технічного рівня дизелів було визнано прогресивним напрямом, тому в подальшому створювані в ДСКБДдизелі мали як конструктивний елемент примусовий наддув повітря у циліндри.

До дизелів другого покоління відносяться 4-циліндрові рядні дизелі та V-подібний 6-циліндровий дизель. У конструкції вперше в сільськогосподарському машинобудуванні було застосовано таке рішення, при якому хід поршня менший за його діаметр. Виробництво дизелів типу було розпочато на Харківському заводі тракторних двигунів ( ХЗТД) з 1972 р.

Наступним етапом розвитку потужності та покращення паливної економічності комбайнових та тракторних дизелів були розробки з охолодження наддувного повітря, що подається в циліндри. Дослідження, проведені в ДСКБД, Харківському інституті інженерів транспорту та Харківському політехнічному інституті показали неефективність подальшого розвитку форсування дизелів примусовою подачею повітря через значне підвищення його температури. У конструкції було застосовано охолодження повітря, що подається в циліндри, в результаті чого підвищена щільність і збільшений повітряний заряд циліндра без істотного збільшення теплової напруженості.

Першими дизелями з проміжним охолодженням (дизелі третього покоління) били й інші, що співвідносяться з показниками з перспективними зарубіжними дизелями такого класу.

Які критерії вважають ключовими для вибору самого «самого»? Чи є принципові відмінності у підході до конструювання на різних континентах? Спробуємо знайти відповіді ці запитання.

ЄВРОПА: У РЕЖИМІ ЕКОНОМІЇ

На нещодавній прес-конференції в Лондоні глава концерну «Пежо-Сітроен» Жан-Мартін Фольц дуже несподівано для багатьох відгукнувся про гібридні автомобілі: «Подивіться навколо: таких машин у Європі менше 1%, тоді як частка дизелів сягає половини». На думку пана Фольца, сучасний дизель набагато дешевше у виробництві, будучи не менш економічним та екологічним.

Часи, коли дизелі залишали за собою чорний шлейф, торохтіли на всю вулицю і помітно поступалися літровою потужністю бензиновим моторам, минули. Сьогодні питома частка дизелів у Європі становить 52% і продовжує зростати. Поштовх дають, наприклад, екологічні бонуси у вигляді знижених податків, але насамперед – дорожнеча бензину.

Прорив на дизельному фронті стався до кінця 90-х, коли в серію пішли перші мотори із «коммон рейл» - загальною паливною рампою. З того часу тиск у ній неухильно зростає. У новітніх двигунах воно досягає 1800 атмосфер, але ще недавно 1300 атмосфер вважалися видатним показником.

На черзі – системи з дворазовим підвищенням тиску упорскування. Спочатку насос нагнітає паливо в резервуар, що акумулює, до 1350 атм. Потім тиск піднімають до 2200 атм, під якими воно надходить у форсунки. Під таким тиском паливо впорскують через менші отвори діаметра. Це покращує якість розпилу, підвищує точність дозування. Звідси виграш в економічності та потужності.

Вже не перший рік застосовують пілотне упорскування: перша «партія» пального надходить у циліндри трохи раніше основної дози, ніж досягається м'якша робота мотора та чистий вихлоп.

Крім «коммон рейлу», є інше технічне рішення, щоб підняти тиск упорскування на небувалу висоту. Насос-форсунки перебралися з вантажних моторів та на легкові дизелі. Їм відданий, зокрема, «Фольксваген», становлячи здорову конкуренцію «загальній рампі».

Одним із каменів спотикання на шляху дизеля завжди був екологічний. Якщо бензинові мотори журили за чадний газ, окиси азоту та вуглеводні у вихлопі, то дизелі – за сполуки азоту та частки сажі. Введення минулого року норм Євро IV далося непросто. З окислами азоту впоралися за допомогою нейтралізатора, а ось сажу ловить спеціальний фільтр. Він служить до 150 тис. км, після чого його або змінюють, або прожарюють. За командою керуючої електроніки в циліндр подаються гази, що відпрацювали, з системи рециркуляції і велика доза палива. Температура вихлопу підвищується і сажа вигоряє.

Примітно, що більшість нових дизелів можуть працювати на біодизельному паливі: в його основі лежать олії, а не нафтопродукти. Це пальне менш агресивне до довкілля, тому його масова частка на ринку Європи має досягти до 2010 року 30%.

Поки що фахівці відзначають спільну розробку «Дженерал моторс» та ФІАТ – один із «Двигунів року 2005». Малолітражний дизель завдяки електроніці здатний оперативно змінювати параметри упорскування і тим самим забезпечувати більший момент та швидкий пуск двигуна. Широке використання алюмінію, що істотно знизило масу та розміри, у поєднанні з достатньою потужністю 70 л.с. і чималим моментом, що крутить, 170 Н.м дозволили 1,3-літровому мотору набрати велику кількість голосів.

Враховуючи всі здобутки на дизельному фронті, можна сміливо стверджувати – найближче майбутнє Європи саме за цими двигунами. Вони стають потужнішими, тихішими і зручнішими для повсякденної їзди. З урахуванням нинішніх нафтових цін потіснити їх у Старому Світі не здатний жоден з існуючих типів двигунів.

АЗІЯ: БІЛЬШЕ СИЛ НА ЛІТР

Головне досягнення японських двигуністів за останній десяток років – висока літрова потужність. Загнані законодавством у вузькі рамки, інженери примудряються домогтися відмінних результатів різними способами. Яскравий приклад - фази газорозподілу, що змінюються. Наприкінці 80-х японська "Хонда" з її системою VTEC здійснила справжній переворот.

Необхідність варіювати фази диктується різними режимами руху: у місті найважливіше економічність і момент, що крутить, на низьких оборотах, на трасі - на високих. Відрізняються й побажання покупців у різних країнах. Раніше налаштування мотора були постійними, тепер стало можливим змінювати їх у буквальному сенсі на ходу.

Сучасні мотори "Хонда" оснащують декількома типами VTEC, у тому числі і триступеневим пристроєм. Тут коригуються параметри як на низьких і високих оборотах, а й у середніх. Так вдається поєднати несумісне: високу питому потужність (до 100 к.с./л), витрата палива в режимі 60-70 км/год на рівні 4 л на сотню і високий момент, що крутить, в діапазоні від 2000 до 6000 об/хв.

В результаті японці успішно знімають високу потужність із вельми скромних обсягів. Рекордсменом за цим показником який рік поспіль залишається родстер Honda S2000 з безнаддувним 2-літровим двигуном потужністю 250 к.с. Незважаючи на те, що мотор з'явився ще в 1999 році, він, як і раніше, серед кращих - друге місце серед претендентів 2005 року об'ємом 1,8-2,0 л. Другим безперечним досягненням японців є гібридні установки. "Гібрид Сінержі Драйв" виробництва "Тойоти" відзначився серед призерів неодноразово, набравши найбільшу кількість балів у номінації "економічний двигун". Заявлений показник – 4,2 л/100 км для такої немаленької машини, як «Тойота Пріус», безперечно хороший. Потужність «Сінержі Драйв» досягає 110 к.с., а сумарний момент бензиноелектричної установки-видатний – 478 Н.м!

Крім паливної економічності, підкреслюється екологічний аспект: викид вуглеводнів і оксидів азоту у двигуна на 80 і 87,5% нижче, ніж вимагають норми Євро IV для бензинових двигунів, і на 96% нижче вимог до дизелів. Таким чином, «Сінержі Драйв» із запасом укладається в найжорсткіші у світі рамки – ZLEV, які плануються до введення в Каліфорнії.

В останні роки намітилася цікава тенденція: стосовно гібридів мова все рідше йде про абсолютні рекорди економічності. Візьмемо "Lexus RX 400h". Цей автомобіль витрачає цілком звичайні 10 л у міському циклі. З одним застереженням - це дуже мало, враховуючи потужність основного мотора 272 к.с. та момент 288 Н.м!

Якщо японським компаніям, насамперед «Тойоті» та «Хонді», вдасться знизити собівартість агрегатів, продаж гібридів може підскочити на порядок вже в найближчі 5–10 років.

АМЕРИКА: ДЕШЕВО І СЕРДИТО

На форумах американських автомобілів після проведення конкурсу «Двигун року» обов'язково виникають дебати: як це так, серед переможців немає жодного двигуна нашої розробки! Все просто: американці, незважаючи на паливну кризу, що продовжується, не надто досягли успіху в економії бензину, а про дизельне паливо і чути не хочуть! Але це не означає, що їм нема чим похвалитися.

Наприклад, «крайслерівські» мотори серії «Хемі», блискучі на сильних моделях (їх зазвичай називають в США «масло карз») ще в 50-х. Їхня назва веде родовід від англійської hemispherical - напівсферичний. Звичайно, за півстоліття багато змінилося, але, як і раніше, у сучасних «хемі» напівсферичні камери згоряння.

Зазвичай на чолі лінійки двигунів стоять агрегати непристойного за європейськими мірками літража - до 6,1 л. Варто відкрити проспект, у вічі впадає різниця у підходах до конструювання. "Краща в класі потужність", "найшвидший розгін", "низький рівень шуму"... про витрату палива йдеться побіжно. Хоча він, звичайно, небайдужий до інженерів. Просто пріоритети дещо інші – динамічні характеристики та… невисока собівартість агрегату.

У моторах «Хемі» немає змінних фаз. Вони не такі форсовані і не можуть навіть близько підійти до кращих японських агрегатів за літровою потужністю. Зате в них застосована хитромудра система MDS (Multi Displacement System – система кількох обсягів). Як натякає назва, її сенс криється у відключенні чотирьох з восьми циліндрів двигуна, коли не потрібно використовувати всі 335 коней і 500 Н.м моменту, наприклад у двигуна об'ємом 5,7л. На відключення йде всього 40 мілісекунд. Подібні системи насамперед використовував «Джи-Ем», а «Крайслер» має перший досвід. Як запевняє фірма, MDS дозволяє заощадити до 20% палива, залежно від манери водіння. Боб Лі, віце-президент відділення двигунів «Крайслер», дуже гордий новим мотором: «Відключення циліндрів відбувається елегантно і просто… переваги – надійність та низька ціна».

Природно, циліндрами, що відключаються, американські інженери не обмежуються. Вони готують і зовсім інші розробки, наприклад, силові установки на паливних елементах. Судячи з появи нових концепт-карів саме з такими моторами, їх майбутнє малюється в рожевих тонах.

Звичайно, ми відзначили лише найяскравіші особливості «національного двигунобудування». Сучасний світ занадто тісний, щоб у ньому пліч-о-пліч існували принципово різні культури, не впливаючи одна на одну. Можливо, одного разу виведуть рецепт ідеального «глобального» двигуна? Поки що кожен воліє бігти своєю доріжкою: Європа готується перевести майже половину парку на ріпакову олію; Америка хоч і намагається не помічати змін, що відбуваються у світі, поступово відвикає від ненажерливих мастодонтів і роздумує над переведенням інфраструктури всієї країни на водневе паливо; ну а Японія ... як завжди, бере високими технологіями і приголомшливою швидкістю їх впровадження в життя.

ДИЗЕЛЬ «ПСА-ФОРД»

Найближчим часом розпочнеться виробництво двох нових моторів, розроблених спільно концерном «Пежо-Сітроен» та «Фордом» (журналістам їх представляє інженер «Форда» Філ Лейк). Дизелі об'ємом 2,2 л адресовані комерційним та легковим автомобілям. Система "коммон рейл" відтепер працює під тиском 1800 атм. Паливо впорскується в камеру згоряння через сім 135-мікронних отворів у п'єзоелектричних форсунках (раніше їх було п'ять). Тепер стало можливим упорскувати паливо до шести разів за один оборот колінчастого валу. Результат - чистіший вихлоп, економія палива, зниження вібрацій.

Застосували два компактні малоінерційні турбокомпресори. Перший відповідальний виключно за «низи», другий підключається після 2700 об/хв, забезпечуючи плавну криву моменту, що крутить, досягає 400 Н.м при 1750 об/хв і потужності 125 к.с. при 4000 об/хв. Маса двигуна в порівнянні з попереднім поколінням знижена на 12 кг завдяки новій архітектурі блоку циліндрів.

Розвиток двигунобудування в різних країнах має свої особливості, зумовлені різним рівнем промислового потенціалу, станом паливних ресурсів, традиціями та попитом. Проте основні напрями пошуків у своїй залишаються загальними. Сьогоднішні зусилля фахівців спрямовані в основному на розробку та виготовлення сучасних легких та компактних, потужних та економічних двигунів, у відпрацьованих газах яких містився б мінімум токсичних речовин. Останнім часом значно підвищилися вимоги до рівня шуму та вібрації. Такий настійний наказ екології.

За кордоном відзначають, що навіть при інтенсивних пошуках та дослідженнях, що призводять до створення нових типів двигунів, часто дуже незвичайних, поршневі двигуни внутрішнього згоряння залишаться основним типом транспортних двигунів як у XX, так і на початку XXI ст. Незважаючи на їхню солідну історію ДВС (бензиновий двигун нещодавно відсвяткував свій сторічний ювілей), інженерна думка постійно знаходить щось нове або навіть знову повертається до забутого старого.

Як знизити тертя

Пошуки шляхів підвищення механічного ККД призвели в першу чергу до прагнення максимально зменшити площі поверхонь, що труться, знизити витрати потужності на привід допоміжних механізмів, застосовувати мастила з зниженою в'язкістю і певними присадками.

Багато провідних фірм, що розробляють і виробляють двигуни для транспортних засобів, досліджують можливості поліпшення якості обробки внутрішніх поверхонь циліндрів і полегшення поворотно-поступально рухомих частин. Останнє призводить до зменшення сил інерції, що дозволяє зменшити діаметр шийок колінчастого валу і знизити втрати на тертя в підшипниках ковзання.

Робляться спроби знизити тертя у парі циліндр-поршень. Наприклад, пропонується виготовляти поршні з майданчиками тертя, що виступають над поверхнею напрямної частини поршня на 25 мкм. Два такі майданчики роблять на протилежних сторонах діаметра під нижнім поршневим кільцем і по одній на нижній частині спідниці симетрично площині гойдання шатуна. Загальна площа тертя поршня стінки циліндра при цьому зменшується на 40-70% (залежно від довжини спідниці поршня) в порівнянні з поршнями звичайної конструкції. Для створення кращих умов гідродинамічного мастила і збереження стійкого масляного клина між поверхнями, що труться, кромки цих контактних майданчиків були скошені під кутом 1°.

Стендові випробування показали, що у бензинових двигунах та дизелях з такими модифікованими поршнями втрати на тертя зменшуються на 7-11%, досягається економія палива при роботі на повному навантаженні на 0,7-1,5%, а ефективна потужність зростає на 1,5 -2%.

Важливо не тільки знизити втрати на тертя, але і підвищити надійність пар, що труться. Сучасна технологія відкриває широкі можливості: зносостійкі та антикорозійні покриття, термомеханічна обробка поверхонь, плазмове напилення порошкоподібних твердих сплавів та багато іншого.

Матеріали майбутнього

Завтрашній день моторобудування вже пов'язується з використанням легких сплавів, композиційних і пластичних матеріалів, кераміки.

Так, минулого року випуск західними фірмами двигунів із блоками циліндрів із алюмінієвих сплавів досяг 50% від загального виробництва, а головок циліндрів із легких сплавів – 75%. Майже всі швидкохідні двигуни малого та середнього робочого об'єму комплектуються поршнями з алюмінієвих сплавів.

Японські автомобільні фірми використовують на двигунах, що серійно випускаються, головки блоку зі сплаву алюмінію з титаном.

У ведуться роботи з виготовлення блоків методом штампування з низьковуглецевої сталі товщиною всього 2,3 мм. Це здешевлює виробництво і дає економію у вазі в порівнянні з чавунним блоком (вага сталевого штампованого блоку не перевищує ваги блоку, відлитого з алюмінієвого сплаву). Для деталей двигуна, що працюють в умовах великого перепаду температур, проводять експерименти з армування алюмінієвих сплавів волокнами бору.

Роботи зі створення деталей двигуна з композиційних матеріалів з волоконним армуванням (головним чином, шатунів та поршневих пальців) розпочато у ФРН. Під час попередніх випробувань шатуни витримали 10 млн. циклів стиснення-розтягування без руйнування. Такі шатуни на 54% легші за звичайні сталеві. Наразі вони вже випробовуються в реальних умовах роботи двигуна.

Двома американськими фірмами в рамках спільної програми «пластмасовий двигун» розроблено 4-циліндровий двигун з робочим об'ємом 2,3 л, який має два розподільні вали та шістнадцятиклапанну головку блоку (по 4 клапани на циліндр). Блок та головка циліндрів, поршні (з термостійким покриттям), шатуни, деталі газорозподілу та піддон виготовлені з волокнистих пластичних мас. Це дозволило зменшити питому вагу двигуна з 2,25 до 0,70 кг/кВт, на 30% знизився рівень шуму.

Двигун розвиває ефективну потужність 240 кВт та має масу 76,4 кг (у гоночному варіанті). Аналогічний двигун зі сталі та чавуну важить 159 кг. Загальна частка пластмасових деталей складає 63%.

У цьому «пластмасовому» двигуні застосовується стандартна система мастила та традиційна водяна система охолодження. Найбільша деталь – блок циліндрів – була виготовлена ​​з композиційного матеріалу (епоксидна смола з графітовим волокном). У двигуні широко використано високоякісний термопласт «Торлон», який за хімічним складом аналогічний поліаміду. Передбачається, що широке застосування термопласту може початися через 10 років.

Що може кераміка

Сучасні бензинові та дизельні двигуни лише третину енергії, отриманої при спалюванні палива, перетворять на механічну. Решта йде на теплообмін, втрачається разом з відпрацьованими газами. Збільшити термічний ККД двигуна, його економіку палива і зменшити викид токсичних речовин в атмосферу можливо шляхом підвищення температури процесу в камері згоряння. Для цього потрібні деталі, що витримують жорсткіший температурний режим. Таким, воістину, «революційним» матеріалом для двигунів виявилася кераміка.

Однак єдиної думки щодо доцільності її широкого застосування немає. Домогтися досконалості структурних властивостей цих матеріалів поки що не вдалося. Ціни керамічних матеріалів високі. Технологія їх обробки, що включає, наприклад, діамантове шліфування, складна і дорога. Обробляти керамічні деталі через чутливість їх до внутрішніх дефектів складно. Деталі з кераміки руйнуються не поступово, а й повністю. Однак це не означає, що від кераміки потрібно відмовитися. Новий матеріал дуже цікавий і перспективний: він дозволяє підвищити робочу температуру двигунів внутрішнього згоряння з 700 ° до 1100 ° С і створити дизель з термічними ККД 48% (нагадаємо, що у звичайного дизеля він становить 36%).

У США, наприклад, сконструйовано, виготовлено та випробувано 6-циліндровий дизель без традиційної системи охолодження з рядом деталей, що мають жароміцне покриття з оксиду цирконію. Цей двигун потужністю 170 кВт та робочим об'ємом 14 л був встановлений на 4,5-тонному вантажному автомобілі. За пробіг у 10 000 км він показав середню питому витрату палива на 30-50% менше, ніж у звичайних автомобілів цього класу.

Японські фірми, які ведуть найбільший обсяг дослідницьких робіт з керамічних матеріалів і за 10 років експериментів витратили вже близько 60 млн. дол., налаштовані оптимістичніше. Передбачається, що «нерухомі» керамічні деталі для дизелів будуть запущені в серійне виробництво з поточного року, а вся номенклатура керамічних деталей – до 1990 р. Частка керамічних матеріалів у деталях двигунів становитиме до 2000 р. від 5 до 30%.

Кераміка завжди була і залишиться крихкою. Питання полягає в тому, щоб за допомогою новітніх технологічних процесів збільшити її міцність та стійкість до величин, що забезпечують працездатність двигунів. На думку вчених, основні успіхи застосування високоміцної кераміки будуть досягнуті не після появи нових матеріалів, а при розробці та впровадженні нових прогресивних технологічних прийомів та методів формування матеріалів із заздалегідь заданими властивостями.

Розроблені керамічні покриття для деталей камер згоряння та підшипників можуть стати важливим етапом на шляху створення «монолітних» деталей, що повністю виготовлені з кераміки. Одним з найбільш перспективних напрямків у створенні високоефективних керамічних матеріалів вважається застосування лазерів для формування частинок матеріалу з однаковими розмірами (формувальні порошки з частинками різної величини різко знижують властивості властивостей деталей з кераміки). Успішне вирішення всіх «керамічних» проблем вплине на економіку двигунобудування. Собівартість ДВС можна буде знизити не тільки тому, що вихідні матеріали стануть дешевшими, а витрати на виробництво скоротяться, але і завдяки тому, що двигуни стануть більш простими за конструкцією. Відмова від радіаторів (холодильників), водяних насосів, їх приводів, водяної сорочки блоку циліндрів різко зменшить масу і габарити двигунів.

Більше того, можна буде відмовитися від звичних мастильних матеріалів. Не виключено, що нові мастильні матеріали будуть тверді або навіть газоподібні, їх можна буде застосовувати в умовах високих температур.

Що таке турбонаддув і яким він буває

Загальним напрямом розвитку всім поршневих ДВС (бензинових, дизельних, роторно-поршневих та інших.) є широке застосування наддува.

Наддув як ефективний засіб підвищення літрової потужності відомий давно. Спочатку він з'явився в авіації 20-х років, а потім на гоночних автомобілях. Це були ротативні нагнітачі з механічним приводом (найчастіше застосовувався нагнітач типу «Руте» з двома дво- або трилопатевими роторами). Потім вони перекочували на двигуни вантажних автомобілів. Як у вітчизняному, так і в закордонному судновому двигунобудуванні цей тип нагнітачів застосовується вже протягом кількох десятиліть. В останні роки стали використовувати нагнітачі з газотурбінним приводом – турбокомпресори (ТК); тому зараз у серійно випускаються автомобільних двигунах малого та середнього робочого об'єму як агрегат наддуву використовується виключно ТК. Його широкому поширенню сприяли відносно низька вартість, технологічність, компактність та забезпечення високих показників двигуна. Особливо зручний ТК для двигунів катерів, тракторів та стаціонарних агрегатів, які працюють тривалий час у режимі постійної частоти обертання валу двигуна.

Введення наддуву та одночасне зниження робочого об'єму двигуна дозволяє знімати необхідну потужність при більшому відкритті дросельної заслінки, тому двигун значну частину часу працює в області режимів, що відповідають найменшим питомим витратам палива. Резерв потужності для розгону та форсованих режимів забезпечується наддувом.

Чому сприяє наддув? Поліпшується підготовка заряду до згоряння, оскільки свіжий заряд має підвищену щільність; збільшується масова швидкість на вході в циліндр, покращуються параметри паливного заряду перед займанням. Завдяки цьому підвищується масова швидкість згоряння, збільшуються максимальні значення тиску та робочої температури.

Переважна більшість двигунів у світі виробляється для автомобілів, які рухаються в режимі частих прискорень і уповільнень (особливо у містах), тому фірми, що випускають двигуни та ТК, зайнялися дослідженнями нових (або забутих старих, але із застосуванням нових матеріалів) типів нагнітачів. Пояснюється це тим, що радіально-осьовий ТК, що складається з газової турбіни, яка працює від вихлопних газів, та нагнітача (обидва колеса закріплені консольно на одній осі), має принципові недоліки: інерційність та залежність подачі від енергії газів, що відпрацювали (ОГ). Саме інерційністю пояснюється запізнення досягнення максимального моменту, що крутить, і максимальної потужності в порівнянні з частотою обертання колінчастого валу двигуна. Проблему можна вирішити як створенням додаткових регулюючих пристроїв, і поверненням до нагнітачів з механічним приводом.

Наприклад, у Японії розроблено ТК із змінною геометрією сопла для двигуна з робочим об'ємом 2 л. Новий агрегат покращує динамічні характеристики двигуна, збільшує момент, що крутить, на 12% і скорочує час виходу на режим максимального тиску наддуву. Діаметр вхідного отвору сопла варіюється заслінкою з електронним керуванням відповідно до вхідного потоку повітря. Вхідний потік повітря ТК прямо пропорційний вихідному потоку ОГ; таким чином зміна входу збільшує ефективність роботи турбоагрегату на низьких та високих частотах обертання.

Нагнітачі з механічним приводом менш інерційні, забезпечують синхронне з частотою обертання колінчастого валу двигуна збільшення моменту, що крутить. До недоліків приводних нагнітачів відносять їх значні вага та габарити, а також нижчий ККД порівняно з аналогічними ТК, підвищений рівень шуму. Нагнітач з механічним приводом вимагають високої точності виготовлення; для отримання високого тиску наддуву при високому ККД нагнітача необхідне внутрішнє охолодження роторів. Вартість їх вища за вартість ТК.

Розробляються лопаткові нагнітачі коловратного типу з клинопасовим приводом і регульованим перерізом на вході; досліджується можливість використання відцентрових компресорів з механічним приводом через безступінчастий варіатор для узгодження його продуктивності з характеристикою двигуна.

Однією з нових і перспективних конструкцій є хвильові обмінники тиску (ВОД) типу «Компрекс», які використовують як газотурбінний привід, так і механічний. На привод агрегату витрачається близько 1,0% потужності двигуна. Наддув із застосуванням ВОД суттєво підвищує потужність двигуна у зоні експлуатаційних режимів. Так, наприклад, для 4-циліндрового ДВЗ робочим об'ємом 1,7 л застосування ВОД «Компрекс» дало підвищення потужності до величини, еквівалентної потужності ДВЗ об'ємом 2,5 л. На двигуні «Заурер» потужністю 232 кВт форсування за потужністю склало 50%, а за моментом, що крутить, 30-50%.

Застосування нагнітачів (будь-якого типу) вимагало розробки охолоджувачів повітря, званих також проміжними охолоджувачами, так як при стисканні повітря він нагрівається. Охолоджувачі збільшують економічність двигунів та їх потужність, оскільки щільність повітря, що надходить до камер згоряння, підвищується. Температура повітря на виході досягає 120°С, а температура повітря на вході в колектор, що всмоктує, повинна бути в межах 38-60°С. Оптимальна температура для дизелів приблизно 50°. Якщо наддувне повітря охолодити до нижчої температури, то, незважаючи на збільшення щільності заряду, потужність зменшиться, оскільки станеться погіршення процесу згоряння. Точне регулювання температури проміжного повітря підвищує потужність на 10%.

В даний час вдосконалення робочих процесів з метою підвищення економічності ДВЗ та зниження токсичності відпрацьованих газів йде головним чином шляхом застосування збідненихпаливо-повітряних сумішей, тобто сумішей із зменшеним вмістом бензину. У експериментальних конструкціях ДВС це дозволило знизити витрата палива на 25-28%.

Як відомо, для згоряння 1 кг бензину потрібно 15 кг повітря. Таким чином, нормальна паливо-повітряна суміш має склад 15:1. Склад суміші прийнято характеризувати коефіцієнтом надлишку повітря. який є відношенням кількості повітря на 1 кг палива в даній суміші, до теоретично необхідного для повного згоряння цієї порції палива. Для нормальної суміші =1,0; α>1 - відповідає збідненій та бідній суміші; α
Перешкодою для застосування збіднених сумішей, а також подальшого підвищення частоти обертання колінчастого валу є те, що час згоряння заряду, що надійшов в циліндр, істотно збільшується. Відомо, наприклад, що при =1,67 час горіння в 5 разів більше, ніж при =1,00. Нарешті, при якихось критичних значеннях запалення збідненої суміші в звичайних умовах ламінарного (упорядкованого, без перемішування шарів) потоку стає взагалі неможливим.

Для того щоб обійти цю перешкоду, була потрібна розробка якихось спеціальних пристроїв і систем, що забезпечують активне перемішування суміші. турбулізацію, Т. е. перетворення ламінарного її потоку в турбулентний (вихреподібний), і так зване пошаровий розподіл заряду.

Сутність пошарового розподілу заряду в камері згоряння (КС) полягає в тому, що порція суміші, що надійшла, поділяється на шари з різним значенням α - збагачені і ще більш збіднені. Збагачена частина заряду в момент спрацьовування запалювання свічки розташовується у її електродів. Вона займається легко і забезпечує швидке займання решти об'єму збідненої суміші.

Шляхи вдосконалення робочих процесів

Ефективним засобом для турбулізації потоку суміші став так званий squish-ефект. Організуються потужний осьовий вихор у момент впуску заряду, а потім добре перемішують суміш радіально спрямовані потоки в кінці процесу згоряння.

Початкові варіанти подібних пристроїв мали суттєву нестачу - зменшували надходження робочої суміші на 20%. Внаслідок великої експериментальної роботи вдалося знизити падіння витрати до 10%, що вважається цілком прийнятним та компенсується підвищенням ефективності основного процесу.

Розроблено спеціальний вихроутворюючий пристрій «Секон», що створює в циліндрі двигуна два протилежно спрямовані осьові вихори. Необхідний ефект забезпечується різнопрофільними виступами, що мають досить складну форму, зробленими на сідлі впускного клапана. Використання цього пристрою на мотоциклетному двигуні Сузукі при вкрай незначному падінні потужності знижує витрату палива на 6,5-14,0%.

У сучасних ДВС дедалі ширше застосовуються різні варіанти організації (наприкінці такту стискування) радіального руху потоку суміші до осі циліндра. Це робиться за допомогою утворення якихось витіснювальних поверхонь на дно поршня і на головці циліндра, тобто в зоні камери згоряння (КС). Найбільш досконалою є система «Мей Фейрбол», що застосовується на двигунах «Ягуар-5,3Л» зі ступенем стиснення 11,5. На часткових навантаженнях цей двигун стійко працює при значеннях до 1,5 завдяки тому, що потік суміші після входу через впускний клапан закручується, стискається вихроподібним рухом і в ході стиснення найбільш багата його частина концентрується у свічки запалювання.

Для займання збіднених сумішей необхідні особливо надійні та потужні системи запалювання. Застосовують, зокрема, встановлення двох свічок на один циліндр, спеціальні свічки з більш тривалим та потужним розрядом.

Фірмою «Бош» (ФРН) розроблено принципово нову конструкцію свічки запалювання з вбудованою вихровою камерою. Принцип роботи її полягає в тому, що в самій свічці є невелика порожнина - камера, в якій підпалюється спеціально підготовлена ​​частина заряду, що надійшов в циліндр. Наявні в корпусі свічки чотири тангенціальні канали забезпечують інтенсивну турбу-лізацію цієї частини заряду і відкидають (завдяки дії відцентрових сил) найбільш збагачений її шар до електродів свічки. Після займання через ті ж тангенціальні та центральні осьові канали з камери свічки в циліндр викидаються широкі смолоскипи полум'я, що охоплюють відразу великий обсяг основного заряду.

Подальші пошуки нових шляхів удосконалення робочих процесів призвели до створення двигунів з пошаровим розподілом заряду(Іноді застосовується термін «ДВС з розшарованим зарядом»). Такі двигуни можуть працювати на низькооктанових сортах бензину, за економічними показниками можна порівняти з дизелями, мають малотоксичний викид; їх можна виготовляти на базі моделей, що випускаються.

Найбільшого прогресу у цьому напрямі досягли фірми «Форд» (США), яка створила двигун «PROCO» (від слів Programmed Combustion – програмоване згоряння), та «Хонда» (Японія).

Двигун «ПРОКО» зі ступенем стиснення 11 відрізняється тим, що в ньому застосовано систему безпосереднього упорскуваннябензину у камеру згоряння за допомогою форсунки. Паливо подається спеціальним насосом. Карбюратора немає. Повітря надходить окремо і безпосередньо в циліндр через впускний колектор, на вході якого є дросельна заслінка, та впускні клапани. Як якісний (по α) склад, так і кількість суміші, що утворюється в циліндрі, регулюються автоматично (залежно від навантаження і положення педалі газу). Усією роботою систем живлення та запалювання (з встановленням двох свічок на кожен циліндр) керує електронний блок за спеціальною програмою.

Завдяки спеціальній формі поршня з камерою в днищі та впускному каналу, що турбулізує потік, забезпечуються гарне сумішоутворення, пошарове розподіл суміші та повне її згоряння. Недоліком конструкції є складність обладнання двигуна і особливо форсунок, що вимагають виняткової точності виготовлення.

Система КВКК (CVCC - Compound Vortex Controlled Combustion - регульований вихровий процес згоряння) вже застосовується на серійних двигунах Хонда.

Найважливіша особливість цього цікавого двигуна «Хонда КВКК», конструкція якого захищена більш ніж 230 патентами, полягає в тому, що на ньому застосовано так зване форкамерно-факельне запалювання. Фактично це єдиний серійний бензиновий двигун, працюючий за принципом дії, звичайному для дизелів.

Камера згоряння розділена на дві частини, основну (89% загального обсягу) та малу (11%) - власне форкамеру або передкамеру, в якій встановлено свічку запалювання. У передкамері, що інтенсивно підігрівається відпрацьованими газами, відбувається розігрів та займання «запального заряду» - спеціально підготовленої збагаченої частини паливо-повітряної суміші. При цьому вже знайома нам ідея «розшарування» - поділу суміші на збагачену та збіднену набула у конструкції «КВКК» зовсім іншого вигляду. Збагачена «запальна» частина заряду не виділяється в циліндрі двигуна, а від початку готується окремо. Сумішотворення відбувається в спеціальному трикамерному карбюраторі, одна мала камера якого живить багатою сумішшю передкамеру, а дві великі - забезпечують збідненою сумішшю основні КС циліндрів.

Нині так званий процес «КВКК» набув широкої популярності. За більш ніж 25-річний період роботи з його вдосконалення двигуни пройшли низку модернізацій, що дозволили при бензині з тим самим октановим числом збільшити ступінь стиснення з 9 до 11 і знизити питому витрату на 7%. Середнє значення α=1,3, що відповідає межі ефективного збіднення робочої суміші.

Регулювання ступеня стиснення та фаз газорозподілу

Останнім часом визначився ще один цікавий напрямок робіт з підвищення експлуатаційних характеристик ДВЗ.
Теоретично давно відомо, що постійні ступінь стиснення та фази газорозподілу, вибрані для якогось одного (номінального) режиму роботи, за зміни навантаження виявляються не оптимальними. Тепер стала реальною можливість регулювання в процесі експлуатації двигуна як ступеня стиснення – у цьому напрямку йде фірма «Фольксвагенверк АГ», так і фаз газорозподілу – цю роботу проводить «Форд Ейроп».

Очікується, що ДВЗ «Фольксваген» зі змінним ступенем стиснення матиме підвищений термічний ККД, особливо при часткових навантаженнях. Економічність його на часткових навантаженнях на 12% вище, ніж у звичайного двигуна, завдяки тому, що суттєве підвищення ступеня стиснення уможливлює роботу на дуже бідних сумішах.

Об'єм камери згоряння змінюється за допомогою додаткового «поршня», всередині якого знаходиться свічка запалювання. При повному навантаженні допоміжний «поршень» знаходиться у крайньому верхньому положенні та ступінь стиснення дорівнює 9,5. Працюючи на зменшених навантаженнях «поршень» опускається, обсяг камери згоряння зменшується, а ступінь стиснення відповідно підвищується до 15,0. Система запалювання ДВЗ управляється комп'ютером.

У конструкції більшості звичайних серійних ДВЗ застосовується один розподільний вал для приводу і впускних, і випускних клапанів. У цьому можливість роздільного регулювання фаз газорозподілу по швидкісному чи за навантажувальним режимам, як і з кутом випередження запалення і подачею палива, виключена.

Тому досі конструктори були змушені приймати якісь компромісні рішення між задовільними показниками для верхньої та нижньої меж швидкісного або навантажувального діапазонів.

Фахівці «Форд Ейроп» вирішили проблему, застосувавши два окремі розподільні вали (один для приводу впускних, інший – для випускних клапанів), причому вони можуть повертатися один щодо одного під час роботи двигуна. Валами управляє електронна система «Форд ЕКК-IV», запрограмована на оптимальні фази газорозподілу для будь-яких режимів навантаження.

Механізм регулювання величини перекриття клапанів складається з центральної косозубої шестерні, що приводиться через проміжний вал від колінчастого валу, і двох косозубих шестерень, які можуть переміщатися по шліцях вздовж осей розподільних валів. Таке осьове переміщення викликає зміна їхнього кутового положення щодо один одного та колінчастого валу. Осьове переміщення забезпечується за допомогою зубчастих муфт та зубчастого колеса з приводом від електродвигуна. Повна зміна величини перекриття клапанів від 10 до 90 ° відбувається за 0,25 с.

Експерименти, проведені фірмою, показали, що можливість зміни при роботі ДВЗ величини перекриття клапанів дає економію палива на двигунах середньої потужності до 5%, а на двигунах великої потужності – до 10%. Крім того, вдалося зменшити мінімальну кількість обертів стійкого холостого ходу до 500 об/хв, тоді як для звичайних ДВС ця величина не нижче 800 об/хв. Це дає додаткову економію у процесі експлуатації ДВЗ.

Збільшення числа клапанів

Останні роки відзначені появою, головним чином на ринках Японії та Західної Європи, серійних двигунів із трьох- та чотириклапанними головками циліндрів (на гоночних автомобілях такі головки, до речі, застосовуються з 1912 р.). «Рекорди» ставлять японські фірми: «Ямаха» виробляє п'ятиклапанний (три впускні, два випускні) чотирициліндровий двигун і розробила шести клапанний, а «Сузукі» підготувала випуск восьмиклапанного.

Чим же викликане таке збільшення числа клапанів проти звичайного (один впускний та один випускний)?

При роботі на максимальному швидкісному режимі – на граничній частоті обертання колінчастого валу – двигун починає «задихатися» – циліндр не встигає повністю наповнюватися паливо-повітряною сумішшю. Лімітує ланкою тракту стає прохідний переріз впускного клапана. Збільшенню діаметра цього клапана та його ходу при малих габаритах камери згоряння перешкоджають конструктивні складнощі. Єдиним дієвим способом є збільшення кількості клапанів.

Застосування та поширення цього способу довго заважали суто економічні міркування. Оскільки кількість деталей механізму газорозподілу зростала у кілька разів, відповідно збільшувалися трудомісткість регулювальних робіт, маса двигуна та його вартість. Успіхи сучасної техніки, що дозволили зменшити загальні витрати на виробництво дедалі більш складних ДВС за рахунок використання засобів автоматизації, дозволили реалізувати давно відомий спосіб. Проте широке застосування найбільш складних конструкцій малоймовірне. Наразі знайшли поширення лише триклапанні ДВС: за кордоном серійно випускається 15 моделей таких двигунів.

Чому в масових ДВС застосували саме три-, а не чотириклапанну схему? Відповідь проста. Триклапанна схема наводиться від одного розподільного валу, а чотириклапанна вимагає установки вже двох розподільчих валів.

Принагідно зазначимо, що в багатоклапанних двигунах важливого значення набувають різні системи. автоматичного регулюванняпараметрів системи газорозподілу Зокрема, все частіше застосовуються пристрої автоматичної компенсації величини зазорів, що змінюються при нагріванні клапанів під час роботи ДВС. Є системи газорозподілу з гідравлічними штовхачами або зі змінним вільним ходом у приводі клапана, що призводить до зміни робочої висоти підйому клапана відповідно, що регулює фази газорозподілу; відомі системи автоматичного відключення частини циліндрів при малих навантаженнях.

При проектуванні сучасних ДВС багатоклапанні схеми розглядаються як важливий конструктивний захід поліпшення процесу згоряння, підвищення антидетонаційних властивостей та зниження токсичності газів, що відпрацювали.

Широка уніфікація, автоматизація проектування та виготовлення ДВС

Закордонні фахівці вважають, що не тільки в даний час, але і на перспективу до 2000-го гола основну частину ДВЗ, що випускаються, становитимуть бензинові двигуни малогоробочого об'єму. У зв'язку з успішними роботами щодо підвищення економічності таких двигунів намітився спад інтересу до дизелізації парку легкових автомобілів. Вдалося знизити середнє значення питомої витрати бензину з 312 до 245 г/кВт·год, що відповідає підвищенню ефективного ККД з 28 до 35%.

У всьому світі зростає обсяг застосування новітньої прогресивної технології, що забезпечує набагато більш високу, ніж раніше, точність виготовлення деталей. Впроваджується принцип розробки «родин» бензинових ДВС з високим ступенем уніфікації деталей, що вже тривалий час використовується в дизелебудуванні. Прикладом, зокрема, є створення фірмою «Фольксваген» серії ДВС з ефективною потужністю 29, 40 та 55 кВт, що має 220 уніфікованих деталей, у тому числі таких, як блок-картер з різними настановними елементами головок циліндрів.

Основним напрямом в організації великосерійного виробництва нових поколінь ДВС вважається запровадження автоматизованих потокових лінійвиготовлення деталей та складання двигунів.

Прикладом сучасного, розрахованого на автоматизоване виробництво ДВС, може бути двигун «Файр-1000», створений спільно фірмами «Фіат» (Італія) та «Пежо» (Франція) з широким застосуванням ЕОМ. Саме використання ЕОМ дозволило значно полегшити, спростити та вдосконалити конструкцію двигуна, максимально врахувати вимоги технології із застосуванням роботів. У процесі розробки «Файр-1000» було створено та випробувано 120 дослідних зразків, різних за конструкцією, числом циліндрів, які застосовують робочі процеси.

Робочий об'єм нового двигуна – 999 см 3 . Потужність - 33 кВт при частоті обертання колінчастого валу 5000 об/хв. Маса – 69,3 кг, що відповідає питомому показнику 2,1 кг/кВт. Масу двигуна вдалося знизити завдяки зменшенню висоти блоку циліндрів і товщини стінок з 6 до 4 мм, звуження міжциліндрових перемичок, суттєвому полегшенню перегородок корінних підшипників. Сорочка охолодження охоплює лише верхню частину циліндрів. Ребра блоку відсутня, а бічні стінки повторюють контур циліндрів, зменшуючи об'єм охолоджуючої рідини. Маса блоку циліндрів лише 18 кг. Відомо, що його камера згоряння, що має плоско-овальну форму, навіть не обробляється, оскільки застосований автоматизований процес особливо точного лиття. Водяний насос, розташований у припливі блоку, і розподільний вал рухаються зубчастим ременем. Масляний насос із внутрішнім зачепленням шестерень розташований у блоці та наводиться колінчастим валом. Розподільник безконтактної транзисторної системи запалювання встановлений у торці кулачкового валу.

При пробігу до 100 тис. км. двигун не вимагає жодного технічного обслуговування.

Висновок

За оцінками провідних зарубіжних фахівців найближчим часом не очікується широкого застосування ДВЗ, принципово нових за конструкцією та принципом роботи.

Головними напрямками розвитку найбільш поширених бензинових ДВЗ малого та середнього робочого обсягу на перспективу залишаються подальше підвищення механічного ККД та економічних показників, зниження токсичності газів, що відпрацювали. Продовжуватиметься пошук нових матеріалів та технологій, розробка систем наддуву та нових робочих процесів. Науково-дослідні роботи з усіх цих напрямах виконуються з дедалі ширшим застосуванням ЕОМ і програм, складених з допомогою даних, отриманих експериментах.

За останні 20 років розвиток бензинових ДВС вже забезпечило середнє зниження питомої витрати палива більш ніж на 20% при одночасному задоволенні норм, що посилюються, на токсичність викидів. Знайдено засоби організації більш ефективного малотоксичного процесу згоряння при підвищеному ступені стиснення та використанні збідненої паливо-повітряної суміші. Окремі розробки впроваджені в конструкціях серійних ДВС звичайної схеми, а також одержують поширення і краще для цього пристосовані ДВС з трьох-і чотириклапанними головками циліндрів.

Для розширення області якісного регулювання згоряння та зниження втрат на газообмін розроблено різні схеми відключення одного циліндра (або груп циліндрів) для зменшення робочого об'єму на режимах часткових навантажень. Та ж ідея реалізується в серійно випускаються ДВЗ із зменшеним робочим обсягом та компенсацією потужних показників на повному навантаженні запровадженням наддуву.

На рівні експериментальних досліджень розглядаються можливості регулювання ступеня стиснення та фаз газорозподілу під час роботи ДВЗ.

З метою спрощення технології, зниження маси, зменшення механічних та теплових навантажень, рівня шуму та вібрацій продовжуються роботи з використання композиційних матеріалів на основі пластичних мас. Істотне поліпшення фізико-хімічних властивостей керамічних матеріалів також дозволило застосувати в реальних конструкціях ДВС.

Примітки

1. Наддув виробляється підвищення тиску і масової щільності повітря, поданого в циліндри ДВС, з допомогою компресора - нагнетателя.

Влітку 2017 року науково-технічна спільнота облетіла новина – молодий учений з Єкатеринбурга переміг у загальноросійському конкурсі інноваційних проектів у галузі енергетики. Конкурс називається «Енергія прориву», до участі допускаються вчені не старше 45 років, та Леонід Плотніков, доцент «Уральського федерального університету імені першого президента Росії Б.М. Єльцина »(УрФУ), удостоївся в ньому призу в 1000000 рублів.

Повідомлялося, що Леонід розробив чотири оригінальні технічні рішення та отримав сім патентів для систем впуску та випуску ДВС, як турбованих, так і атмосферних. Зокрема, доробка впускної системи турбомотора «за методом Плотнікова» здатна виключити перегрів, знизити шумність та кількість шкідливих викидів. А модернізація випускної системи турбованого ДВС на 2% підвищує ККД та на 1,5% знижує питому витрату палива. У результаті двигун стає більш екологічним, стабільним, потужним і надійним.

Чи справді це все так? У чому суть пропозицій вченого? Нам вдалося поговорити з переможцем конкурсу та все дізнатися. З усіх оригінальних технічних рішень, розроблених Плотніковим, ми зупинилися якраз на позначених вище двох: допрацьованих системах впуску та випуску турбованих моторів. Можливо, стиль викладу спочатку здасться вам складним для сприйняття, але читайте вдумливо, і в кінці ми дістанемося до суті.

Проблеми та завдання

Авторство наведених нижче розробок належить групі вчених УрФУ, до якої входять доктор технічних наук, професор Бродов Ю.М., доктор фізико-математичних наук, професор Жилкін Б.П. та кандидат технічних наук, доцент Плотніков Л.В. Робота саме цієї групи удостоїлася гранту мільйон рублів. В інженерному опрацюванні пропонованих технічних рішень їм допомагали фахівці ТОВ «Уральський дизель-моторний завод», а саме начальник відділу, кандидат технічних наук Шестаков Д.С. та заступник головного конструктора, кандидат технічних наук Григор'єв Н.І.

Одним із ключових параметрів їх дослідження стала тепловіддача, що йде від потоку газу в стінки впускного або випускного трубопроводу. Чим тепловіддача нижча, тим менша термічна напруга, вища надійність і продуктивність системи в цілому. Для оцінки інтенсивності тепловіддачі використовують параметр, який називається локальним коефіцієнтом тепловіддачі (він позначається як αх), і завдання дослідників полягало в тому, щоб знайти шляхи зменшення цього коефіцієнта.

Рис. 1. Зміна локального (lх = 150 мм) коефіцієнта тепловіддачі αх (1) та швидкості потоку повітря wх (2) у часі τ за вільним компресором турбокомпресора (далі – ТК) при гладкому круглому трубопроводі та різних частотах обертання ротора ТК: а) nтк = 35000 хв-1; б) nтк = 46 000 хв-1

Питання для сучасного двигунобудування серйозне, оскільки газоповітряні тракти входять до переліку найбільш термонавантажених елементів сучасних ДВС, і особливо гостро завдання зниження тепловіддачі у впускному та випускному трактах стоїть для турбованих двигунів. Адже в турбомоторах, порівняно з атмосферниками, підвищено тиск і температуру на впуску, збільшено середню температуру циклу, вища пульсація газу, що викликає термомеханічну напругу. Термонавантаженість веде до втоми деталей, знижує надійність та термін служби елементів двигуна, а також призводить до неоптимальних умов згоряння палива в циліндрах та падіння потужності.

Вчені вважають, що термічну напруженість турбодвигуна можна знизити, і тут, як кажуть, є нюанс. Зазвичай для турбокомпресора вважаються важливими дві його характеристики - тиск наддуву та витрата повітря, а сам вузол у розрахунках приймається статичним елементом. Але насправді, зазначають дослідники, після встановлення турбокомпресора суттєво змінюються тепломеханічні характеристики потоку газу. Тому перш ніж вивчати те, як змінюється αх на впуску та випуску, треба дослідити сам потік газу закомпресором. Спочатку – без урахування поршневої частини двигуна (що називається, за вільним компресором, див. рис. 1), а потім – разом із нею.

Було розроблено та створено автоматизовану систему збору та обробки експериментальних даних – з пари датчиків знімалися та оброблялися значення швидкості потоку газу wх та локального коефіцієнта тепловіддачі αх. Крім того, було зібрано одноциліндрову модель двигуна на базі мотора ВАЗ-11113 з турбокомпресором ТКР-6.

Рис. 2. Залежність локального (lх = 150 мм) коефіцієнта тепловіддачі αх від кута повороту колінчастого валу у впускному трубопроводі поршневого ДВС з наддувом при різних частотах обертання колінчастого валу і різних частотах обертання ротора ТК: а) n = 1 500 хв-1; б) n = 3000 хв-1, 1 - n = 35 000 хв-1; 2 - nтк = 42 000 хв-1; 3 - nтк = 46 000 хв-1

Проведені дослідження показали, що турбокомпресор є найпотужнішим джерелом турбулентності, що впливає на тепломеханічні характеристики потоку повітря (див. рис. 2). Крім того, дослідники встановили, що сама по собі установка турбокомпресора підвищує на впуску двигуна приблизно на 30% - частково через те, що повітря після компресора просто значно гарячіше, ніж на впуску атмосферного мотора. Була виміряна і тепловіддача на випуску мотора із встановленим турбокомпресором, і виявилося, що чим вищий надлишковий тиск, тим менш інтенсивно відбувається тепловіддача.

Рис. 3. Схема впускної системи двигуна з наддувом з можливістю скидання частини повітря, що нагнітається: 1 - впускний колектор; 2 - сполучний патрубок; 3 – сполучні елементи; 4 – компресор ТК; 5 – електронний блок управління двигуном; 6 – електропневмоклапан].

У сумі виходить, що для зниження термонавантаженості необхідно наступне: у впускному тракті потрібно зменшувати турбулентність і пульсацію повітря, а на випуску - створювати додатковий тиск або розрідження, розганяючи потік - це знизить тепловіддачу, а крім того, позитивно позначиться на очищенні циліндрів від відпрацьованих газів .

Всі ці начебто очевидні речі потребували детальних вимірів і аналізу, якого ніхто раніше не робив. Саме отримані цифри дозволили виробити заходи, які у майбутньому здатні а то й зробити революцію, то вже точно вдихнути, у буквальному значенні слова, нове життя на всю галузь двигунобудування.

Рис. 4. Залежність локального (lх = 150 мм) коефіцієнта тепловіддачі αх від кута повороту колінчастого валу у впускному трубопроводі поршневого ДВС з наддувом (nтк = 35 000 хв-1) при частоті обертання колінчастого валу n = 3 000 хв-1. Частка скидання повітря: 1 – G1 = 0,04; 2 – G2 = 0,07; 3 – G3 = 0,12].

Скидання надлишку повітря на впуску

По-перше, дослідники запропонували конструкцію, що дозволяє стабілізувати потік повітря на впуску (див. рис. 3). Електропневмоклапан, врізаний у впускний тракт після турбіни і в певні моменти скидає частину стисненого турбокомпресором повітря, стабілізує потік-зменшує пульсацію швидкості та тиску. У результаті це має призвести до зниження аеродинамічного шуму та термічної напруги у впускному тракті.

А скільки потрібно скинути, щоб система ефективно працювала, не послаблюючи значно ефекту турбонаддува? На малюнках 4 і 5 ми бачимо результати проведених вимірів: як показують дослідження, оптимальна частка повітря, що скидається G лежить в діапазоні від 7 до 12% - такі значення знижують тепловіддачу (а значить - і термонавантаженість) у впускному тракті двигуна до 30%, тобто , Приводять її до значень, характерних для атмосферних двигунів. Далі збільшувати частку скидання немає сенсу – ефекту це вже не дає.

Рис. 5. Порівняння залежностей локального (lх = 150 мм, d = 30 мм) коефіцієнта тепловіддачі αх від кута повороту колінчастого валу у впускному трубопроводі поршневого ДВС з наддувом без скидання (1) і зі скиданням частини повітря (2) при nтк = 35 000 хв-1 і n = 3000 хв-1, частка скидання надлишкового повітря дорівнює 12% від загальної витрати].

Ежекція на випуску

А що ж випускна система? Як ми говорили вище, вона в турбованому моторі теж працює в умовах підвищених температур, а крім того, випуск завжди хочеться зробити якомога сприятливішим максимальному очищенню циліндрів від газів, що відпрацювали. Традиційні методи вирішення цих завдань вже вичерпані, чи є ще якісь резерви для поліпшення? Виявляється, є.

Бродов, Жилкін і Плотніков стверджують, що покращити газоочищення та надійність випускної системи можна шляхом створення в ній додаткового розрідження, або ежекції. Ежекційний потік, на думку розробників, так само, як і клапан на впуску, знижує пульсацію потоку і збільшує об'ємну витрату повітря, що сприяє кращому очищенню циліндрів та підвищенню потужності двигуна.

Рис. 6. Схема випускної системи з ежектором: 1 – головка циліндра з каналом; 2 – випускний трубопровід; 3 – труба вихлопна; 4 – ежекційна трубка; 5 – електропневмоклапан; 6 – електронний блок керування].

Ежекція позитивно впливає на тепловіддачу від випускних газів до деталей випускного тракту (див. рис. 7): з такою системою максимальні значення локального коефіцієнта тепловіддачі αхвиходять на 20% нижче, ніж при традиційному випуску - за винятком періоду закриття впускного клапана, тут інтенсивність тепловіддачі, навпаки, дещо вище. Але в цілому тепловіддача все одно менше, і дослідники зробили припущення, що ежектор на випуску турбомотора підвищить його надійність, оскільки знизить тепловіддачу від газів стін трубопроводу, а самі гази будуть охолоджуватися ежекційним повітрям.

Рис. 7. Залежності локального (lх = 140 мм) коефіцієнта тепловіддачі αх від кута повороту колінчастого валу у випускній системі при надмірному тиску випуску рb = 0,2 МПа і частоті обертання колінчастого валу n = 1 500 хв-1. Конфігурація випускної системи: 1 - без ежекції; 2 - з ежекцією.]

А якщо об'єднати?

Отримавши такі висновки на експериментальній установці, вчені пішли далі і застосували отримані знання на реальному двигуні - як один з «піддослідних» був обраний дизель 8ДМ-21ЛМ виробництва ТОВ «Уральський дизель-моторний завод». Такі мотори застосовуються як стаціонарні енергоустановки. Крім того, у роботах використовувався і «молодший брат» 8-циліндрового дизеля, 6ДМ-21ЛМ, також V-подібний, але має шість циліндрів.

Рис. 8. Установка електромагнітного клапана для скидання частини повітря на дизелі 8ДМ-21ЛМ: 1 – клапан електромагнітний; 2 - впускний патрубок; 3 – кожух випускного колектора; 4 – турбокомпресор.

На «молодшому» моторі була реалізована система ежекції на випуску, логічно і дуже дотепно поєднана з системою скидання тиску на впуску, яку ми розглянули трохи раніше - адже як було показано на малюнку 3, повітря, що скидається, може використовуватися для потреб двигуна. Як бачимо (рис. 9), над випускним колектором прокладені трубки, в які подається повітря, забраний з впуску - це той самий надлишковий тиск, що створює турбулентність після компресора. Повітря з трубок «лунає» через систему електроклапанів, які стоять одразу за випускним вікном кожного із шести циліндрів.

Рис. 9. Загальний вигляд модернізованої випускної системи двигуна 6ДМ-21ЛМ: 1 – випускний трубопровід; 2 – турбокомпресор; 3 - газовідвідний патрубок; 4 – система ежекції.

Такий ежекційний пристрій створює додаткове розрідження у випускному колекторі, що веде до вирівнювання перебігу газів та ослаблення перехідних процесів у так званому перехідному шарі. Автори дослідження заміряли швидкість потоку повітря wх залежно від кута повороту колінчастого валу з застосуванням ежекції на випуску і без неї.

З малюнка 10 видно, що при ежекції максимальна швидкість потоку вища, а після закриття випускного клапана вона падає повільніше, ніж у колекторі без такої системи – виходить своєрідний ефект продування. Автори кажуть, що результати свідчать про стабілізацію потоку і кращу очистку циліндрів двигуна від газів, що відпрацювали.

Рис. 10. Залежно місцевої (lx = 140 мм, d = 30 мм) швидкості потоку газу wх у випускному трубопроводі з ежекцією (1) і традиційному трубопроводі (2) від кута повороту колінчастого валу φ при частоті обертання колінчастого валу n = 3000 хв-1 та початковому надлишковому тиску pb = 2,0 бар.

Що в результаті

Тож давайте по порядку. По-перше, якщо з впускного колектора турбомотора скидати невелику частину стисненого компресором повітря, можна знизити тепловіддачу від повітря до стін колектора до 30% і зберегти масовий витрата повітря, що надходить в мотор, на нормальному рівні. По-друге, якщо застосувати ежекцію на випуску, то тепловіддачу у випускному колекторі також можна суттєво знизити – проведені виміри дають величину близько 15%, а також покращити газоочищення циліндрів.

Поєднуючи показані наукові знахідки для впускного і випускного трактів в єдину систему, ми отримаємо комплексний ефект: забираючи частину повітря з впуску, передаючи її на випуск і точно синхронізувавши ці імпульси за часом, система вирівнюватиме і заспокоюватиме процеси перебігу повітря і газів, що відпрацювали. В результаті ми повинні отримати менш термонавантажений, надійніший і продуктивніший порівняно із звичайним турбомотором двигун.

Отже, результати отримані в лабораторних умовах, підтверджені математичним моделюванням та аналітичними розрахунками, після чого створено дослідний зразок, на якому проведено випробування та підтверджено позитивні ефекти. Поки все це реалізовано в стінах УрФУ на великому стаціонарному турбодизелі (мотори такого типу використовують також на тепловозах і суднах), проте закладені в конструкцію принципи могли б прижитися і на менших моторах – уявіть, наприклад, що ГАЗ Газель, УАЗ Патріот або LADA Vesta отримують новий турбомотор, та ще з характеристиками краще, ніж у закордонних аналогів ... Чи можливо, щоб нова тенденція в двигунобудуванні почалася в Росії?

Є у вчених з УрФУ і рішення для зниження термонавантаженості атмосферних моторів, і одне з них - профіль каналів: поперечне (шляхом введення квадратного або трикутного перерізу) і поздовжнє. У принципі, за всіма цими рішеннями зараз можна будувати робочі зразки, проводити випробування і за їх позитивного результату запускати серійне виробництво – задані проектно-конструкторські напрями, на думку вчених, не вимагають значних фінансових та тимчасових витрат. Тепер мають знайти зацікавлені виробники.

Леонід Плотніков каже, що вважає себе в першу чергу вченим і не ставить за мету комерціалізувати нові розробки.

Серед цілей я швидше назвав би проведення подальших досліджень, отримання нових наукових результатів, розробку оригінальних конструкцій газоповітряних систем поршневих ДВС. Якщо мої результати будуть корисні промисловості, то я буду радий. З досвіду знаю, що використання результатів – дуже складний і трудомісткий процес, і якщо в нього занурюватися, то на науку та викладання не залишиться часу. А я більше схильний саме до галузі освіти та науки, а не до промисловості та бізнесу

доцент «Уральського федерального університету імені першого президента Росії Б.М. Єльцина» (УрФУ)

Проте додає, що вже розпочався процес запровадження результатів дослідження на енергомашини ПАТ «Уралмашзавод». Темпи впровадження поки що невисокі, вся робота знаходиться на початковому етапі, і конкретики дуже мало, проте зацікавленість у підприємства є. Залишається сподіватися на те, що результати цього впровадження ми все ж таки побачимо. А також на те, що робота вчених знайде застосування у вітчизняному автопромі.

Як ви оцінюєте результати дослідження?