Двигатели смд перспектива модернизации. Перспективы развития двигателей внутреннего сгорания

Военно-морские силы США планируют в будущем провести модернизацию силовых газотурбинных установок, которые в настоящее время установлены на их самолетах и кораблях, поменяв обычные двигатели с циклом Брайтона на детонационные ротационные двигатели. За счет этого предполагается экономия топлива на сумму около 400 миллионов долларов ежегодно. Однако серийное использование новых технологий возможно, по оценкам экспертов, не ранее, чем через десятилетие.

Разработки ротационных, или спиновых ротационных двигателей в Америке проводятся Научно-исследовательской лабораторией флота США. Согласно первоначальным подсчетам, новые двигатели будут обладать большей мощностью, а также примерно на четверть экономичнее обычных двигателей. При этом, основные принципы работы силовой установки останутся прежними – газы от сгоревшего топлива будут поступать в газовую турбину, вращая ее лопасти. Согласно данным лаборатории ВМС США, даже в относительно далеком будущем, когда весь американский флот будет приводиться в действие при помощи электричества, за выработку энергии по-прежнему будут отвечать газовые турбины, в определенной степени видоизмененные.

Напомним, что изобретение пульсирующего воздушно-реактивного двигателя приходится на конец девятнадцатого века. Автором изобретения был шведский инженер Мартин Виберг. Широкое распространение новые силовые установки получили в годы Второй мировой войны, хотя они значительно уступали по своим техническим характеристикам авиадвигателям, которые существовали в то время.

Надо заметить, что на данный момент времени американский флот насчитывает 129 кораблей, на которых используется 430 газотурбинных двигателя. Каждый год расходы на обеспечение их топливом составляют порядка 2 миллиардов долларов. В будущем, когда современные двигатели будут заменены новыми, изменятся и объемы затрат на топливную составляющую.

Двигатели внутреннего сгорания, используемые в настоящее время, работают по циклу Брайтона. Если определить суть данного понятия в нескольких словах, то все сводится к последовательному смешиванию окислителя и топлива, дальнейшем сжатии полученной смеси, затем – поджоге и горении с расширением продуктов горения. Это расширение как раз и используется для приведения в движение, перемещения поршней, вращения турбины, то есть выполнения механических действий, обеспечивая постоянное давление. Процесс горения топливной смеси двигается с дозвуковой скоростью – этот процесс носит название дафлаграция.

Что касается новых двигателей, то ученые намерены использовать в них взрывное горение, то есть детонацию, при которой горение происходит со сверхзвуковой скоростью. И хотя в настоящее время явление детонации еще изучено не в полной мере, однако известно, что при таком виде горения возникает ударная волна, которая распространяясь по смеси топлива и воздуха вызывает химическую реакцию, следствием которой является выделение довольно большого количества тепловой энергии. Когда ударная волна проходит через смесь, происходит ее нагрев, что и приводит к детонации.

В разработке нового двигателя планируется использовать определенные наработки, которые были получены в процессе разработки детонационного пульсирующего двигателя. Его принцип работы состоит в том, что предварительно сжатая топливная смесь подается в камеру сгорания, где осуществляется ее поджог и детонация. Продукты горения расширяются в сопле, выполняя механические действия. Затем весь цикл повторяется сначала. Но недостатком пульсирующих двигателей является то, что частота повторения циклов слишком мала. Помимо этого, конструкция самих этих двигателей в случае увеличения числа пульсаций становится более сложной. Это объясняется необходимостью синхронизации работы клапанов, которые отвечают за подачу топливной смеси, а также непосредственно самими циклами детонирования. Пульсирующие двигатели ко всему прочему еще и очень шумные, для их работы необходимо большое количество топлива, а работа возможна только при постоянном дозированном вспрыскивании топлива.

Если сравнивать детонационные ротационные двигатели с пульсирующими, то принцип их работы немного отличается. Так, в частности, в новых двигателях предусмотрена постоянная незатухающая детонация топлива в камере сгорания. Подобное явление получило название спиновая, или вращающаяся детонация. Впервые она была описана в 1956 году советским ученым Богданом Войцеховским. А открыто это явление было гораздо раньше, еще в 1926 году. Первопроходцами стали британцы, которые заметили, что в определенных системах возникала яркая светящаяся «голова», которая двигалась по спирали, вместо детонационной волны, имеющей плоскую форму.

Войцеховский же, использовав фоторегистратор, который сам же и сконструировал, сфотографировал фронт волны, которая двигалась в кольцевой камере сгорания в топливной смеси. Спиновая детонация отличается от плоской тем, что в ней возникает единственная ударная поперечная волна, затем следует нагретый газ, который не прореагировал, а уже за этим слоем находится зона химической реакции. И именно такая волна предотвращает сгорание самой камеры, которую Марлен Топчиян обозвал «сплющенным бубликом».

Необходимо отметить, что в прошлом детонационные двигатели уже применялись. В частности речь идет и пульсирующем воздушно-реактивном двигателе, который использовался немцами в конце Второй мировой войны на крылатых ракетах «Фау-1». Производство его было достаточно простое, использование достаточно легкое, однако при этом этот двигатель был не очень надежным для решения важных задач.

Далее, в 2008 году, в воздух поднялся Rutang Long-EZ - экспериментальный самолет, оснащенный детонационным пульсирующим двигателем. Полет длился всего десять секунд на высоте тридцати метров. За это время силовая установка развила тягу порядка 890 ньютонов.

Экспериментальный образец двигателя, представленный американской лабораторией ВМС США, - это кольцевая конусообразная камера сгорания, имеющая диаметр 14 сантиметров со стороны подачи топлива и 16 сантиметров со стороны сопла. Между стенками камеры расстояние составляет 1 сантиметр, при этом «трубка» имеет длину 17,7 сантиметров.

Смесь воздуха и водорода используется в качестве топливной смеси, которая подается под давлением 10 атмосфер в камеру сгорания. Температура смеси составляет 27,9 градусов. Отметим, данная смесь признана самой удобной для изучения явления спиновой детонации. Но, как утверждают ученые, в новых двигателях вполне можно будет использовать топливную смесь, состоящую не только из водорода но и из других горючих компонентов и воздуха.

Экспериментальные исследования ротационного двигателя показали его большую эффективность и мощность по сравнению с двигателями внутреннего сгорания. Еще одно достоинство – значительная экономия топлива. В то же время, в ходе проведения эксперимента было выявлено, что сгорание топливной смеси в ротационном «пробном» двигателе происходит неоднородно, поэтому необходимо оптимизировать конструкцию двигателя.

Продукты горения, которые расширяются в сопле, можно собрать в одну газовую струю с помощью конуса (это так называемый эффект Коанда), а затем эту струю отправлять в турбину. Под действием этих газов турбина будет вращаться. Таким образом, частично работу турбины можно будет использовать для приведения в движение кораблей, а частично – для выработки энергии, которая необходима для корабельного оборудования и различных систем.

Сами двигатели можно производить без подвижных частей, что значительно упростит их конструкцию, что, в свою очередь, снизит стоимость силовой установки в целом. Но это только в перспективе. Перед тем, как запускать новые двигатели в серийное производство, необходимо решить немало непростых задач, одной из которых является подбор прочных термостойких материалов.

Отметим, что в данный момент ротационные детонационные двигатели считаются одними из наиболее перспективных двигателей. Разработками их также занимаются ученые из Техасского университета в Арлингтоне. Силовая установка, которая были ими создана, была названа «двигателем непрерывной детонации». В том же университете проводятся исследования по подбору различных диаметров кольцевых камер и различных топливных смесей, в состав которых входят водород и воздух или кислород в различных пропорциях.

В России также ведутся разработки в данном направлении. Так, в 2011 году, по словам управляющего директора научно-производственного объединения «Сатурн» И.Федорова, силами ученых Научно-технического центра имени Люльки, ведутся разработки пульсирующего воздушного реактивного двигателя. Работа ведется параллельно с разработками перспективного двигателя, получившего название «Изделие 129» для Т-50. Помимо этого, Федоров также сказал, что объединение ведет исследования по созданию перспективных самолетов следующего этапа, которые, как предполагается, будут беспилотными.

При этом руководитель не уточнил, о каком именно виде пульсирующего двигателя идет речь. В данный момент известны три типа таких двигателей – бесклапанный, клапанный и детонационный. Общепринятым, между тем, признан факт, что пульсирующие двигатели являются наиболее простыми и дешевыми в производстве.

На сегодняшний день некоторые крупные оборонные фирмы занимаются проведением исследований в сфере создания пульсирующих высокоэффективных реактивных двигателей. Среди этих фирм – американские Pratt & Whitney и General Electric и французская SNECMA.

Таким образом, можно сделать определенные выводы: создание нового перспективного двигателя имеет определенные трудности. Главная проблема в данный момент заключается в теории: что именно происходит при движении ударной детонационной волны по кругу, известно лишь в общих чертах, а это в значительной степени усложняет процесс оптимизации разработок. Поэтому новая технология, хотя и имеет очень большую привлекательность, но в масштабах промышленного производства она малореализуема.

Однако если исследователям удастся разобраться с теоретическими вопросами, можно будет говорить о настоящем прорыве. Ведь турбины используются не только на транспорте, но и в энергетической сфере, в которой повышение КПД может иметь еще более сильный эффект.

Использованы материалы:
http://science.compulenta.ru/719064/
http://lenta.ru/articles/2012/11/08/detonation/

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.

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

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

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

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

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

Очистка выхлопных газов

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

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

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

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

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

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

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

Перспективы ДВС

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

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

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

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

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?

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.