Современные двс – Устройство современного двигателя внутреннего сгорания

Содержание

Современный мотор: меньше, мощнее – но не вечно…

Если говорить о тенденциях современного мирового моторостроения, то двигатель внутреннего сгорания остается на лидирующих позициях, хотя справедливости ради надо отметить, что некие попытки «покуситься» на «святая святых» все же существуют – например, уже продается серийный электромобиль Tesla. Но поскольку нефтепромышленность сегодня является ключевой отраслью мировой экономики, доминирование двигателей внутреннего сгорания еще на многие десятилетия может остаться незыблемым.

Немного истории. Грустной…

Современные двигатели конструктивно практически мало изменились со времен «отцов-осно-вателей»: Николауса Августа Отто и Рудольфа Кристиана Карла Дизеля. Сегодня в ходу те же коленчатый вал, шатуны, поршни, цилиндры, клапаны, распределительный механизм.

Поэтому все новшества в двигателестроении опираются на новые материалы и технологии, в том числе связанные с электронным управлением.

Например, если еще 20 лет назад блок цилиндров почти повсеместно был сделан из чугуна, то сегодня чугунный блок встречается редко, плавно перейдя в разряд анахронизмов. В настоящее время блоки делают из алюминия, который и легче, и технологичнее. Сначала были проблемы с прочностью и жесткостью, но их постепенно решили.

Правда, полностью алюминиевые моторы действительно приживаются трудно – очень они чувствительны к смазке, охлаждению, зазорам. А вот алюминиевый блок с чугунными гильзами гораздо менее требователен в эксплуатации. Так что старый добрый чугун, который использовали Отто и Дизель, еще послужит…

Вообще надо отметить, что создание нового двигателя даже традиционной схемы – это процесс очень долгий. Вот и получается, что модельный ряд автомобилей меняется в среднем через четыре-пять лет, а мотор в нем нередко стоит от предыдущих моделей, а то и еще более ранних. И часто даже в новых двигателях используются узлы от старых – например, блок цилиндров. Так что двигатели «живут» долго – бензиновые в среднем 10-15 лет, а дизели легко «доживают» до 20 и даже 30 лет.

И еще. С сожалением приходится признать, что в России практически не было своих разработок двигателей – все бралось «оттуда», из-за границы. Причем часто даже то, что там отвергалось. Результат очевиден – сегодня передового двигателестроения у нас в стране просто не существует. Как и конструкторов для его возрождения.

Все началось с авиации… Авиадвигатель Rolls-Royce Merlin 40-х годов прошлого века с непосредственным впрыском

Успехи, неудачи и тенденции

В современном моторостроении существуют две основные тенденции: первая – сократить вредные выбросы, и вторая – снизить расход топлива. Это взаимосвязанные задачи: сокращая расход, мы автоматически снижаем выбросы.

Но если 10-15 лет назад «вредными выбросами» считались традиционные оксид углерода – СО, оксиды азота – NOx и углеводороды – СН, то сегодня в разряд основных перешел и углекислый газ СО2, создающий «парниковый эффект». И если учесть, что любое углеводородное топливо в конечном счете распадается на воду и углекислый газ – то уменьшить выбросы СО2 можно единственным путем: снижением расхода топлива.

Здесь надо принять во внимание и такой нюанс: КПД у двигателя внутреннего сгорания в целом лишь около 25-30%. Выходит, что только четверть бензина в ДВС тратится на движение – остальные три четверти просто вылетают в трубу. И греют окружающую среду. Поэтому инженеры-моторостроители борются за каждый «лишний» процент с помощью довольно сложных технических решений.

Верный способ – повысить удельные параметры двигателя: проще говоря, получить «одну лошадиную силу» с меньшего количества топлива. Например, одним из основных путей роста эффективности бензинового двигателя является повышение степени сжатия. При росте степени сжатия эффективность сгорания топлива в цилиндре повышается, а значит, возрастает коэффициент полезного действия (КПД) цикла – и двигателя в целом.

В частности, повышение основных параметров двигателей, в том числе путем увеличения степени сжатия, дают системы непосредственного впрыска бензина в цилиндр – впрыск сдвигает режимы детонации, убирает неравномерность подачи топлива и увеличивает наполнение цилиндров.

Когда мы еще были впереди планеты всей: форкамерно-факельное зажигание на Волге — прообраз современного послойного распределения заряда

На самом деле эта идея достаточно старая: непосредственный впрыск широко применялся на авиационных двигателях 40-х годов прошлого века. Инженерам требовалось добиться небывалой по тем временам удельной мощности 70 л.с. с 1 л рабочего объема двигателя при максимальных 2500-3000 об/мин. Сегодня это удельная мощность обычного автомобильного двигателя (хотя и при вдвое больших оборотах, так что авиационный уровень 70-летней давности все еще не превзойден современным автомобилестроением) – а тогда достичь их в авиации было возможно только с помощью непосредственного впрыска.

Но система подачи топлива была механической, т.е. сложной, дорогой и требовавшей постоянных регулировок, что было приемлемо в авиации, но никак не на автомобилях.

Форкамерно-факельный процесс
в двигателе Honda CVCC, такие
двигатели ставились на автомобили
Honda почти до конца 1980-х годов

Кроме того, механическое управление непосредственным впрыском было хорошо при низких оборотах, требовавшихся для тогдашних авиационных двигателей (воздушный винт все же!). А при их росте хотя бы до автомобильных 6000 об/мин механика уже не справлялась.

Собственно, «возвращение» к старой идее в 1990-2000-х годах стало возможным благодаря развитию электроники, позволившей реализовать управление непосредственным впрыском на высоких оборотах двигателя – с внедрением электронных компонентов появилась возможность управлять процессом горения, чего не было ранее.

Карбюратор, да и традиционные системы впрыска – так называемое внешнее смесеобразование, позволяли лишь смешать 15 кг воздуха с 1 кг топлива и подать смесь в цилиндры. И все. А вот электронное управление непосредственным впрыском в цилиндр дает возможность инженеру выбирать – когда вводить топливо, сколько вводить. И даже впрыскивать топливо за один цикл двигателя несколько раз.

Еще в 70-х годах ХХ века конструкторы для экономии топлива предложили использовать принцип «послойного» впрыска, реализованный в виде так называемого «форкамерно-факель-ного зажигания». Идея заключалась в том, что в специальной камере создается богатая смесь, которая при воспламенении от свечи создает факел, поджигающий бедную смесь, подаваемую непосредственно в цилиндр. Машины с такими двигателями (с аббревиатурой СТСС – Compound Vortex Controlled Combustion) разработала и длительное время производила японская Honda, и даже горьковский автозавод некоторое время выпускал «Волги» с форкамерными моторами. Но в итоге к середине 1980-х от этой идеи пришлось отказаться. Ведь приходилось готовить сразу две топливо-воздушных смеси: бедную, которой надо было много, и богатую, которой надо было мало. И подавать их раздельно – при этом в точные временные промежутки. А сложные карбюраторы (а тогда полноценного электронного управления еще не существовало) не прибавляли ни надежности, ни оптимизма по снижению себестоимости. Но основной удар был неожиданным – выяснилось, что помимо СО и СН оксиды азота тоже не слишком полезны. А здесь у «послойников» возникли новые проблемы…

Но всего через 10 лет, примерно к середине 1990-х годов, инженеры смогли вернуться к идее на новом уровне, чтобы с помощью электроники объединить в одном двигателе все три составляющие: непосредственный впрыск, управление процессом горения и послойное смесеобразование, что позволило поднять степень сжатия и выйти на новый уровень.

Первыми создали серийные автомобили с такими моторами в компании Mitsubishi – они имеют обозначение GDI (Gasoline Direct Injection – «система прямого впрыска бензина»). За ними последовали и другие производители. В этих двигателях нет отдельной форкамеры – форсунка впрыскивает бензин в цилиндр под очень высоким давлением. А камера сгорания имеет такую «хитрую» форму, что в зоне у свечи оказывается богатая смесь, а в остальном объеме – бедная.

Казалось бы, все прекрасно: степень сжатия высокая, смесь бедная, как следствие, вредные выбросы заметно снижены, а экономичность улучшена. Но опять начались проблемы с оксидами азота. Дело в том, что традиционные трехкомпонентные нейтрализаторы убирают из выхлопа СО, NOХ и СН только у смеси обычного состава (15 кг воздуха на 1 кг топлива). А вот с возросшими при бедных смесях объемами оксидов азота они уже не справляются. Так что пришлось разрабатывать новые дополнительные катализаторы. Работают они хорошо, хотя требуют специальной жидкости в качестве «топлива». Но хорошо только в том случае, если в бензине нет серы. А если есть – то быстро «умирают». Ведь бензин с полным отсутствием серы пока еще редкость даже в богатых странах…

Поэтому автопроизводители от идеи послойного впрыска вынуждены были отказаться, а проблему уже построенной инфраструктуры по производству этих двигателей (и уже немало потраченных денег) решили путем «перепрошивки» электронного управления впрыском.

Теперь впрыск топлива осуществляется не тогда, когда поршень находится вблизи верхней «мертвой точки», а раньше. И пока поршень проходит весь путь до ВМТ, смесь успевает перемешаться до практически гомогенной.

Так что «попытка № 2» внедрения послойного смесеобразования и управления горением тоже сорвалась. Когда будет третья попытка, неясно. Но то, что она будет – вполне предсказуемо. Ведь уже создано достаточно много таких двигателей, они работают, хотя их возможности пока не реализованы полностью.

Еще одно направление повышения эффективности ДВС – системы регулирования фаз газораспределения. Они получили распространение недавно, в начале 90-х годов ХХ века, но сегодня двигатель без регулирования фаз уже смотрится каким-то анахронизмом.

Логика таких систем понятна – для эффективной работы двигателя при малых оборотах время (продолжительность) и момент открытия впускных и выпускных клапанов должны быть одни, а с повышением оборотов – другие. И сегодня существует много систем, которые регулируют не только время открытия клапанов, но и величину этого открытия. Что делает ДВС эластичным, а автомобиль с ним – экологичным, экономичным и удобным.

Если подводить промежуточный итог, то можно сказать следующее: современный бензиновый ДВС – обязательно с регулируемыми фазами, а лучшие его образцы имеют непосредственный впрыск. Для повышения мощности двигателей нередко используется наддув, который увеличивает количество воздуха, поступающего в цилиндры, и удельную мощность. Существуют две схемы наддува: газотурбинный, когда турбину для привода компрессора раскручивают выхлопные газы, и приводной, когда компрессор приводится непосредственно от двигателя. Приводные компрессоры тоже разные: объемные, винтовые, волновые и т.д. Но большого распространения такие системы так и не получили, хотя известны давно – в отличие от регулирования фаз газораспределения, непосредственного впрыска топлива и турбонаддува.

Ванкель и другие

В принципе, возможны альтернативы старой конструкции, созданной во времена Отто и Дизеля. Но создать работающий двигатель, способный на равных конкурировать с привычной схемой по всем показателям, очень сложно. Двигатели Стирлинга, Баландина и многих других оригинальных схем и решений не получили распространения и оказались на грани забвения.

И хотя новые идеи витают в воздухе, реализовать даже лучшие из них весьма проблематично. Например, роторно-лопастной мотор Вигриянова, который изначально планировалось устанавливать в «прохоровский» «ё-мобиль», пока так и не создан. И для того чтобы (возможно!) довести его до серийного производства, потребуется, по прикидкам, как минимум, 10 лет и весьма неограниченное финансирование. Причем несколько из этих 10 лет надо будет потратить на подготовку специалистов, способных его довести. А поскольку с «неограниченным финансированием», кажется, наступили проблемы, этот двигатель, скорее всего, света так и не увидит…

Роторно-поршневой двигатель Ванкеля стал, пожалуй, единственным примером внедрения в серийное производство ДВС нетрадиционной конструкции. Хотя двигателю данной схемы уже добрых полвека, и за это время многие производители, выпускавшие такие моторы, давно «сошли с дистанции» (последним стал АвтоВАЗ), он и по сей день ставится на автомобили Mazda. Причем компания так долго занимается этим двигателем и добилась таких его показателей, что уже вряд ли кто сможет сделать хотя бы такой же – по цене, надежности и эффективности. И потому он вряд ли когда-нибудь станет массовым.

Ремонт ремонту рознь

Современные двигатели гораздо более надежны, чем те, которые производились, например, 20 лет назад. В них не надо ничего регулировать, что-то менять – они работают без поломок как минимум до окончания срока гарантии.

Но есть нюанс – сегодня срок службы всего автомобиля стал значительно меньше, чем был ранее. Прошли те времена, когда машину покупали «на всю жизнь». Сегодня сложилась тенденция: люди хотят ездить на новой модели машины. И потому автомобили меняются в среднем через 3-5 лет. Соответственно автопроизводителям не имеет смысла делать машину, которая без поломок прослужит 20 лет. Вот и получается, что автопарк обновляется значительно быстрее, чем два-три десятка лет назад.

Так что время двигателей-«миллионников» давно «кануло в Лету» – их просто невыгодно

делать. Да и зачем? Ресурс мотора рассчитывается с учетом возможного пробега автомобиля: в среднем можно говорить максимум о 150 тыс. км.

Процесс непосредственного впрыска уже широко распространился, но пока использовать
все его преимущества не удается

Очевидно, ремонт двигателя должен продлить ресурс – но не до бесконечности, а до конца срока службы автомобиля (который тоже закладывается относительно небольшим – не более 10 лет). К чему это приводит? К тому, что некоторые ремонтные процессы становятся просто ненужными, а ремонтное оборудование «отстает» от современных двигателей.

Например, на старых моторах уровень нагрузки составлял 50 л/с с 1 л объема, а на современных (с наддувом) – вдвое больше. При такой разнице удельных мощностей и нагрузок на детали «старое-доброе» уже не работает – нужны новые технологии. Сегодня многие работы стало просто невозможно сделать без современного оборудования – шлифовального, расточного, хонинговального. Оно не слишком хорошо окупается, поэтому многие предпочитают работать по старинке. Но не тут-то было…

Так, для новых моторов нередко используются шатуны с «ломаными» крышками. Традиционные конструкции крышек шатунов, изготовленных отдельно, а потом собранных, для современных высоконагруженных двигателей не подходят – неточно и совсем недешево. И при ремонте традиционных шатунов всегда есть опасность нарушения соосности, что ведет к катастрофическим последствиям для мотора, хотя традиционные шатуны ремонтируются легко. А вот «колотые» – не ремонтируются вообще.

Еще пример – коленчатый вал на старом тихоходном двигателе можно было наварить и прошлифовать. Сейчас это невозможно даже представить: усталостные трещины очень быстро приведут к разрушению всего двигателя. Кроме того, ручная работа с большим количеством операций стоит дорого. А коленчатый вал легкового мотора – деталь массовая, а значит, и недорогая. И делать двойную, а то и тройную работу, чтобы восстановить деталь, которая потом быстро выйдет из строя, по крайней мере, экономически неэффективно.

При этом надо помнить, что просто замена одной детали, вышедшей из строя, не решает проблемы поломки двигателя в целом: такая локальная замена обычно предполагает «гарантию только до ворот». Современный высоконагруженный двигатель – это сложный комплекс, а потому его ремонт должен быть комплексным, с заменой всего «по кругу», чтобы даже самый экономный автовладелец не возвращался через каждые 10-15 тыс. км для замены очередной детали. Вот почему качественно отремонтированный мотор стоит всего лишь на 25-30% меньше нового. Но насколько такой ремонт выгоднее замены для владельца?

Так что современная тенденция в ремонте проглядывается – замена вышедшего из строя узла постепенно побеждает. Причем ремонт «в гараже на коленке» уже не удается. Поэтому неудивительно, что в последние годы значительно возросли требования к квалификации ремонтников, ощутимо выросла стоимость ремонта, а сам процесс стал сводиться больше к замене деталей, нежели к их восстановлению.

Есть и другая тенденция, когда производитель не дает запчастей вообще – только двигатель в сборе. И ремонтникам остается только поменять весь двигатель, вместо того чтобы его ремонтировать. А зачем чинить, если двигатели непрерывно усложняются, а квалифицированная ручная работа дорожает еще быстрее?

И наконец, «контрактные» моторы…

В заключение отметим: модные сегодня «контрактные» моторы становятся похожи на пресловутый «МММ». Нет в мире такой страны-«донора», где бы существовало столько двигателей с большим остатком ресурса. А поскольку двигатели современных легковых автомобилей рассчитаны на конечный и весьма ограниченный пробег, то покупка такого мотора давно стала лотереей – в которой, как известно, выигрывает один из тысяч. В лучшем случае.

А остальным предлагается раз в 10-20 тыс км купить очередной «билет» – пока не будет выбран их «лимит» на ремонт или замену мотора на новый.

  • Александр Хрулев, канд. техн. наук, директор фирмы «АБ-Инжиниринг»

abs-magazine.ru

Виды двигателей: устройство и особенности

По сравнению со старыми автомобилями, новые отличаются конструктивными особенностями отдельных узлов. С каждым годом современные и ведущие производители усовершенствуют не только модели машин, но и учитывают другие важные элементы, связанные с деталями. С появлением новейших инновационных технологий, изменилось многое.

Современные машины постепенно переходят на альтернативный источник энергии, в результате чего можно достигнуть большой экономичности. В данной статье предлагаем рассмотреть типы двигателей внутреннего сгорания.

Для того чтобы узнать какие существуют виды двигателей автомобилей, необходимо внимательно прочитать статью и прислушаться к советам профессионалов. В первую очередь следует детально ознакомиться с особенностями ДВС. Двигатель является устройством, которое преобразовывается в механическую работу в процессе сгорания топлива. Каждый автомобильный двигатель совершает работу исключительно по циклу, которые состоит из 4 фаз.

Классификация двигателей

Вначале впускается воздух или смесь с наличием горючего, например, бензина или дизеля, а затем, сжимается рабочая смесь. Вследствие чего происходит действие рабочего хода. Когда, наконец, сгорает рабочая смесь, выпускается отработавший газ. Важно отметить, что самыми распространенными считаются поршневые, бензиновые двигатели.

Бензиновый двигатель пользуется большой популярностью. Этот распространенный тип двигателя обладает специальной конструкцией, которая отличается надежностью и долговечностью.

Всем известно, что бензин и его разновидность — это самый распространенный и доступный источник энергии. Подобный силовой агрегат внедрен сложнейшими инновационными технологиями, которые распределяют фазу и обеспечивают электронное управление вспрыском топлива. Для ремонта данной конструкции не потребуется потратить много средств и усилий. Так как процесс достаточно легок и прост.

Современный агрегат, функционирующий на бензине, обладает определенным преимуществом. То есть происходит действие зажигания топливовоздушных смесей при помощи загорания искровых свечей. Однако, топливочная система питания, делится на несколько основных категорий.

Следовательно, бензин смешивается с воздухом в карбюраторном устройстве. Процесс осуществляется через впускной трубопровод. Подобные двигатели отличаются от других агрегатов особой экономичностью.

Впрысковые двигатели подают горючее при помощи инжектора. Топливо поступает в впускной трубопровод. В данном агрегате увеличивается мощность до максимума и, соответственно, горячее расходуется экономичнее. Естественно, уменьшается токсичность отработавшего горючего (газа). Этот процесс осуществляется за счет поступления топлива. Процесс подачи энергии проходит под воздействием специально установленных электронных систем.

В дизельном устройстве воспламеняется смесь топлива при взаимодействии с воздухом. Этот процесс происходит в том случае, если повышается температура при сжатии топлива. Сравнивая бензиновый двигатель с дизельным можно четко сказать, что соотношение экономичности достигает от пятнадцати до двадцати процентов.

При установке дизельного устройства улучшается горение топливовоздушной смеси. Отсутствие дроссельных заслонок способствует созданию сопротивления движения воздуха, когда происходит процесс впуска и, соответственно, увеличению расхода горючего.

Газовый агрегат считается сжатым природным, генераторным и сжиженным топливом. Распространенный двигатель и другие виды агрегата обеспечивают экологическую безопасность транспортного средства. В некоторых случаях газ хранят в специальном баллоне, который постепенно теряет давление при поступлении через испаритель. Газовая система, может, даже и не использоваться в составе испарителя.

Старые дизельные конструкции менее экономичны и практичны. Мощность сжатия составляет в полутора раза больше, происходит увеличение давления в цилиндре. Ранние модели слишком шумные из-за того, что горит топливо. Происходит также меньший оборот коленвала. Теперь вам известные все типы автомобильных двигателей, которые наиболее востребованы и популярны.

Какие бывают новые и современные типы двигатели кроме дизельных и бензиновых

Теперь, рассмотрим виды двигателей, которые отличаются новыми технологиями. Рядный агрегат рекомендован для употребления небольшого цилиндра. Наиболее практичным и удобным считается 6 цилиндровый двигатель. Применение V-образного двигателя способствует уменьшению длины агрегата.

Однако, при этом увеличивается его ширина. Каждый цилиндр данного устройства расположен в 2 разных плоскостях и обозначается «V». В основном шести и восьми цилиндровые двигатели оснащены данной моделью.

Угол развала оппозитного двигателя составляет 180 градусов. В результате чего высота двигателя считается наименьшей. Угол развала VR двигателя составляет примерно пятнадцать градусов.

Благодаря этим параметрам происходит уменьшение как продольного, так и поперечного размера двигателя. Например, W-двигатель оснащен двумя вариантами компоновки, то есть содержание трех цилиндров и большой угол развала. Компактные цилиндры выпускаются серией W8 и W12.

Следует упомянуть о рогативных и звездообразных агрегатах. Например, звездообразное устройство по-другому называют радиальным. ДВС обладает цилиндрами, расположенные под воздействием радиальных лучей. Коленчатый вал окружен жданными цилиндрами, которые проходят через равные углы. Небольшая длина агрегата способствует удобному размещению большого количества цилиндров. В основном этот агрегат применяется в авиации.

Для рогативного агрегата характерно вращение цилиндров. Цилиндры же, в свою очередь, представлены в нечетных количествах. В них также присутствует воздушный винт и картер. Эти изделия закрепляются на моторных рамах. Рогативные агрегаты широко применялись в военный период.

Основные параметры агрегатов

Новые типы двигателей имеют специальные параметры. Показатель двигателей определяется силой, которая осуществляет действие в цилиндре. Соответственно, при этом действии учитывается система зажигания и питания агрегата, а также степень износа каждой детали.

Рассмотрев двигатель виды и основные характеристики, можно сделать вывод о каждом отдельном устройстве. Принцип действия агрегата определяется по предохранительному клапану, свечами зажигания, выпуску, рубашкой водяного охлаждения, цилиндром с наличием впускных и выпускных окон, воздухопроводом, приводным нагревателем, выпускным КШМ, впускным КШМ.

Современные автомобили оснащены от двух до шестнадцати цилиндров. Различие определяется лишь при подсчете мощности и объема. Однако, существуют и другие параметры. Стоит также отметить тот факт, что для изготовления новых моделей, разработчики воспользовались тремя типами материалов, например, чугуном либо другими ферросплавами, которые обладают наибольшей прочностью.

Вот, к примеру, алюминий обладает малым весом и средней прочностью, магниевые сплавы наименьшим весом и высокой прочностью. Но для приобретения данного средства придется потратить немало денег.

Специалисты, утверждают, что все эти параметры разделяют лишь звуковибрационное и ресурсное качество. Во всех остальных особенностях они практически схожи.

Отдачу максимального уровня измеряют в лошадиных силах или в киловаттах. Для определения максимального тягового усилия приходится измерять в ньютонах-метрах. Теперь вы знаете, какие бывают двигатели и как следует определять определенные модели.

avtodvigateli.com

Новые технологии в двигателях внутреннего сгорания

Новые технологии направлены на то, чтобы сделать двигатели внутреннего сгорания более эффективными. В предыдущие годы они стали повсеместными, а в будущем станут «умными». К сожалению, пока они не обладают высоким КПД и неэкономичны. Но пользуясь последними достижениями в области материалов и электроники, вполне возможно исправить эти недостатки.

Мазда Skyactiv-G

Автомобильный концерн Мазда часто предлагает интересные инновационные решения. Один из вопросов, которыми он решил заняться ─ экономия топлива. Компания разработала новые двигатели Skyactiv-G. Уже планируются к выпуску малолитражные автомобили Mazda 2, оснащенные ими. Они обладают высочайшей степенью сжатия, за счет чего и повышается топливная экономичность. По версии разработчиков, средний расход бензина будет составлять примерно 3 литра на сотню километров.

Электронный клапан

Данный двухтактный двигатель разработан корпорацией Grail Engine Technologies. Он выполнен из простых деталей, изготовленных методом отливки.

 Преимущества:

  • изготовлен в соответствии с экологическими стандартами;
  • потребляя от трех до четырех литров на «сотню» выдает 200 л.с.;
  • возможна установка на гибридные автомобили.

Лазеры

Новые технологии в двигателях внутреннего сгорания стали возможны с появлением лазеров. Стандартные свечи имеют серьезную проблему. Она заключается в необходимости сильной искры, но в таком случае идет быстрый износ электродов. Решить этот вопрос можно, если применять лазеры для воспламенения топлива. Они имеют преимущество, так как позволяют задавать важные параметры: угол зажигания и мощность.

Учеными разработаны керамические лазеры d 9 мм. Они подойдут для подавляющего большинства моторов.

Pinnacle

Одной из перспективных разработок являются двигатели Pinnacle.В них поршни располагаются противоположно относительно друг друга, находясь в одном цилиндре. Между ними и воспламеняется топливо. Подобное их расположение значительно экономит энергию и увеличивает эффективность двигателя. При этом стоимость силового агрегата достаточно низкая.

Эти двигатели принципиально отличаются от распространенных оппозитных моделей, использующихся повсеместно.

 

Iris

Это двухтактный двигатель с изменяемой геометрией и площадью поршня. Он легок и компактен, а его КПД составляет 45%.

Изобретатель Iris Тимбер Дик придумал концепцию с шестью поршнями, полезная площадь которых в три раза больше, чем в стандартной паре. Каждый поршень представляет собой стальной, изогнутый лепесток.

Алгоритм работы:

  • поступление воздуха через камеру сгорания;
  • смыкание лепестков к середине камеры и сжимание воздуха;
  • раздвижение поршней и поворот валов;
  • впрыскивание топлива и зажигание;
  • открытие выпускных клапанов.

Разделение радиатором

Особенность инновации в том, что используется разделение мотора радиатором на две части. Впуск и сжатие топлива осуществляется в холодных цилиндрах, а сгорание и выхлоп газов – в горячих. При таком функционировании агрегата получается экономия около 40%. Ученые все еще дорабатывают и совершенствуют данную систему, чтобы добиться еще большей экономии (до 50%).

Scuderi

Это двигатель разделенного цикла Air-Hybrid разработан американской компанией Scuderi Group. Он более экономичен, если сравнивать с обычными аналогами. Сотрудники компании рассчитывают, что их изобретение станет настоящим прорывом. Они уже получили на него патент. Для наиболее рационального использования энергии он разделяет 4 стандартных поршневых цилиндра на рабочие и вспомогательные. Это делается для того, чтобы разумно использовать энергию, которую они будут вырабатывать. Механизм функционирования основан на соединении двух цилиндров при помощи специального канала. Далее происходит впрыскивание сжатого воздуха во второй цилиндр с последующим воспламенением топливовоздушной смеси и выхлопом.

Экомотор

Компания Eco Motors International переработала конструкцию двигателя внутреннего сгорания, применив творческий подход. Он получился двухтактный, с элегантной и простой конструкцией. Пара модулей (по четыре поршня в каждом) соединены муфтой и имеют электронное управление.

Турбокомпресс утилизирует энергию выхлопных газов и участвует в выработке электроэнергии.

Достоинства:

  • легкость;
  • низкий расход топлива;
  • небольшие производственные затраты;
  • масштабируемость (при добавлении нескольких модулей двигатель малолитражного автомобиля превращается в мотор для грузовика).

Работа двигателя возможна на бензине, дизеле, этаноле.

Роторные двигатели

Американские ученые разрабатывают еще одну интересную инновацию автомобильного мотора. Его ресурс будет более высокий, чем у обычных моделей. Механизм действия:

  1. Получение энергии под воздействием взрывных волн.
  2. Вращение ротора, прохождение топлива по каналам.
  3. Образование ударной волны.
  4. Воспламенение и выхлоп отработанных газов.

Ученые в 2018 году продолжают искать новые технологии для производства экономичных и экологичных моделей двигателей внутреннего сгорания. Многие проекты еще находятся на стадии разработок и ждут финансирования.

 

qwizz.ru

Из чего делают современные двигатели: новые материалы на службе автопроизводителей

На протяжении многих десятков лет моторы изготавливали из самых обычных материалов — стали, чугуна, меди, бронзы, алюминия. Совсем немного пластика, иногда какие-то мелкие элементы, вроде корпусов карбюраторов, — из магниевых сплавов. На волне тенденции к всемерному облегчению конструкций и увеличению мощности при улучшении экологической составляющей состав материалов с тех времен заметно изменился. Из чего же сегодня делают двигатели? Разбираемся.

Большая часть автовладельцев наверняка знает главный тренд современного автомобилестроения: увеличение мощности двигателя при постоянном уменьшении его объема и массы. Секрет такого сочетания кроется в том числе в новых материалах и конструктивах. Ну и, разумеется, тщательной проработке всех элементов силового агрегата, а также уже не скрываемом отсутствии избыточных (читай: невыгодных) запасов прочности.

Как ни странно, всевозможные нанотрубки и прочий хай-тек, о котором постоянно говорят в СМИ, в моторостроении на самом деле почти не применяются. В серийных моторах самыми дорогими и сложными материалами являются кремнийникелевые покрытия, металлокерамический композит (например, известный как FRM у Honda), различные полимерно-углеродные композиции и постепенно появляющиеся в серийных двигателях титановые сплавы, а также сплавы с высоким содержанием никеля, например Inconel. В целом же двигателестроение остается очень консервативной областью машиностроения, где смелые эксперименты в серийном производстве не приветствуются.

Прогресс обеспечивается в основном «тонкой настройкой» и применением давно известных технологий по мере их удешевления. Основная масса серийных агрегатов состоит в основном из чугуна, стали и алюминиевых сплавов — по сути, самых дешевых материалов в машиностроении. Однако тут все же есть место для новых технологий.

Самая крупная деталь любого мотора — блок цилиндров. Она же самая тяжелая. Долгие десятки лет основным материалом для блоков служил чугун. Он достаточно прочен, хорошо льется в любую форму, его обработанные поверхности обладают высокой износостойкостью. Список достоинств включает и невысокую цену. Современные моторы небольшого рабочего объема по-прежнему льются из чугуна, и вряд ли в ближайшее время индустрия полностью откажется от этого материала.

Основная задача в совершенствовании сплавов чугуна — это сохранение высокой твердости поверхности при улучшении его вспомогательных качеств, иначе это может привести к необходимости использования чугунных же гильз для блока цилиндров из более износостойкого сплава. Так изредка делают, но в основном на грузовых моторах, где эта технология финансово оправданна.

Алюминий в качестве материала блока применяется также очень давно и совершенствуется примерно в том же направлении. Усилия направлены в основном на улучшение возможностей его обработки, на снижение коэффициента расширения при сохранении необходимой пластичности материала, повышение необходимых аспектов прочности сплавов.

Также развиваются технологии использования вторичного алюминия низкой очистки. Для таких сплавов применяются технологии, отличные от литья, причем налицо тенденция к изготовлению из алюминия блоков цилиндров более компактных моторов. Например, двигатель Volkswagen серии EA211 сегодня имеет алюминиевый блок, который оказался на 40% легче чугунного.

Магниевые сплавы значительно менее популярны. Они легче алюминиевых, но имеют значительно более низкую коррозийную стойкость, не переносят контакта с горячей охлаждающей жидкостью, со стальными крепежными деталями повышенной температуры. На рядных шестицилиндровых блоках моторов BMW серий N52 и N53, например, из магниевого сплава выполнена только внешняя часть блока, «рубашка» системы охлаждения. Для сравнительно длинного блока шестицилиндрового мотора это дает выигрыш в массе порядка 10 кг по сравнению с цельноалюминиевой конструкцией. Также магниевые сплавы используют для блок-картеров моторов с отъемными цилиндрами. В основном это двигатели мотоциклов.

Компоненты двигателя

Если с самой большой деталью мотора новые технологии и материалы не очень «дружат» в целом, то в частностях возможны интересные сюрпризы. Гильзы цилиндров у любого блока являются точкой приложения всех новейших технологий и материалов. Высокопрочный чугун, методы поверхностного упрочнения алюминиевых высококремнистых сплавов, гальванические покрытия на основе сплава карбида кремния с никелем, металлокерамические матрицы и стальное напыление широко используются даже на серийных моторах. Про чугун и высококремнистый алюминий говорить не будем, все же сами технологии не только старые, но и массовые. А вот про остальные материалы лучше рассказать чуть подробнее.

Упрочненные чугунные гильзы по технологии CGI (Compacted Graphite Iron) появились для реализации экстремально высокой степени форсирования у дизельных моторов. Этот чугун сильно отличается от распространенного серого чугуна. У него на 75% выше прочность на разрыв, на 40% выше модуль упругости, и он в два раза устойчивее к знакопеременным нагрузкам. А его сравнительно невысокая стоимость и прочность позволяют создавать литые чугунные блоки с массой меньше, чем у алюминиевых. Но в основном его применение ограничено гильзами и коленчатыми валами. Гильзы получаются очень тонкими, теплопроводными и при этом столь же технологичными и надежными, как обычные гильзы из чугуна. А коленчатые валы по прочности соперничают с коваными стальными при заметно меньшей себестоимости.

Покрытие по технологии Nicasil, в общем-то, не редкость и далеко не новинка, но оно остается одним из самых высокотехнологичных и перспективных в своей сфере. Изобрели его еще в 1967 году для роторно-поршневых двигателей, и засветиться в массовом автомобилестроении оно успело. Porsche его применял для гильз цилиндров с 1970-х, а в 1990-е его попытались применить и на более массовых моторах, например в BMW и Jaguar, но недостатки технологии и высокая цена заставили отказаться от него в пользу более дешевых методов поверхностного упрочнения высококремниевых сплавов, например по технологии Alusil.

Причем более вероятной причиной отказа является как раз повышенная стоимость блоков цилиндров с этим покрытием, связанная с низкой технологичностью процесса гальванического нанесения и высоким процентом не выявляемого сразу брака, который потом успешно списали на высокосернистые бензины.

Тем не менее это покрытие все еще остается лучшим выбором для создания рабочей поверхности в любом мягком металле, потому под различными торговыми наименованиями применяется в массовом и особенно гоночном двигателестроении. Например, под маркой SCEM в моторах Suzuki. Его недостатки в основном связаны с очень высокой стоимостью обработки и слабой приспособленностью к массовому производству при использовании с крупными многоцилиндровыми блоками.

Металлокерамическая матрица (MMC), более известная как FRM в моторах Honda, — еще один оригинальный и интересный материал. Например, двигатель на суперкаре NSX имел гильзы, выполненные по такой технологии. Опять же технология далеко не новая, но, как и материал, очень перспективная. Покрытие типа Nicasil тоже относится к MMC, но его приходится наносить гальваническим методом, и в качестве матрицы выступает достаточно твердый никель.

В технологии FRM материалом матрицы служит алюминий, а MMC получается в процессе заливки гильзы из волокнистого материала на основе карбоновой нити в алюминиевый блок. Использование углеродного волокна более технологично. К тому же матрица получается намного более толстой, чуть более мягкой, намного более упругой и абсолютно интегрированной в материал блока. Отслоение, как это происходило с Nicasil, попросту невозможно. Задиры и локальные повреждения в силу структуры материала ему почти не страшны, а в случае износа цилиндр можно расточить благодаря большому запасу по толщине.

Минусы у такого покрытия тоже имеются. Во-первых, немалая цена, во-вторых, жесткое отношение к поршневым кольцам, поскольку его структура плохо «настраивается». Тут не создать полноценной сетки хона, правда, масло хорошо удерживается в волокнах и без того. Края волокон очень жесткие, и даже сверхтвердые кольца имеют ограниченный ресурс, а поршень в местах контакта интенсивно изнашивается при малейшем биении, что подразумевает использование поршней с минимальным зазором и очень короткой юбкой. К тому же покрытие очень маслоемкое. В итоге у моторов постоянно наблюдался повышенный расход масла, что на определенном этапе не позволило выполнять жесткие экологические требования.

Впрочем, сейчас эта проблема уже не актуальна, новые катализаторы и новые поколения малозольных масел позволяют об этом не беспокоиться. Ну и, разумеется, цена нанесения покрытия такого типа заметно выше, чем у алюсила или чугунных гильз, но все же меньше, чем у Nicasil-подобных материалов.

Покрытия MMC разных типов также используются в целом ряде деталей двигателей. Например, в седлах клапанов в ГБЦ, упрочнениях крайних постелей распредвалов, особо нагруженных местах креплений элементов конструкции. Это позволяет широко применять цельноалюминиевые детали и снижать массу конструкции за счет упрощения. Некоторые детали двигателей могут иметь крупные элементы из MMC, например клапаны. Но это и сейчас удел не серийных конструкций.

Титановые сплавы также давно пытаются использовать в конструкции машин. В двигателях этот прочный, легкий и очень эластичный материал с превосходной химической стойкостью применяется очень ограниченно в силу высокой стоимости. Но можно найти серийные конструкции с деталями из титана. Титановые шатуны, например, давно устанавливаются в моторах Ferrari и тюнинговом подразделении AMG. Еще титан — неплохой выбор для пружин, шайб, рокеров и прочих элементов ГРМ, деталей теплообменников EGR, а также разных крепежных элементов. Кроме того, он используется для производства рабочих элементов высокопроизводительных турбин, а иногда —— для производства клапанов и даже поршней.

Теоретически детали из высококремнистых титановых сплавов с высоким содержанием интерметаллидов и сицилидов могут применяться в двигателях, но у большинства титановых сплавов наблюдается серьезная потеря прочности уже при температурах свыше 300 градусов — изменение пластичности в больших пределах и большой коэффициент расширения, что не позволяет создавать из них долговечные детали с низкой массой. Ограниченное применение имеет в двигателестроении и 3D-печать из титановых сплавов, например для создания выпускных систем на спорткарах.

А вот покрытия из нитрида титана — одни из самых популярных средств упрочнения поршневых колец. Этот материал отлично работает по кремниевому упрочненному слою гильз цилиндров. Его же используют как напыление на фаски клапанов, в том числе титановых, на торцы толкателей клапанного механизма и другие узлы двигателя. Начиная с 1990-х годов использование этого метода упрочнения неуклонно возрастает, и он вытесняет хромирование, азотирование и ТВЧ-закалку. Также нитрид титана является перспективным типом покрытия для гильз цилиндров: он может наноситься методом PA-CVD (плазмохимическое осаждение из газовой фазы), а значит, такие технологии могут стать серийными в ближайшее время, если будет спрос на новые износостойкие покрытия цилиндров.

Уже упомянутая 3D-печать также активно применяется для создания высокопрочных и высокоточных жаростойких деталей сплав Inconel. Это семейство никельхромовых жаростойких сплавов давно служит материалом для создания выпускных клапанов, верхних компрессионных колец, пружин и даже выпускных коллекторов, корпусов турбин и крепежного материала для высокотемпературного применения.

В последние годы, в связи с развитием технологий 3D-печати и активным использованием в них Inconel-сплавов, мелкосерийные ДВС все чаще обзаводятся деталями из этого очень перспективного материала. Рабочий диапазон деталей из него минимум на 150–200 градусов выше, чем у самых жаростойких сталей, и доходит до 1200 градусов. Как материал упрочнения сплавы Inconel используются серийно уже достаточно давно, так, в моторах Mercedes-Benz покрытие из Inconel применяется на моторах серий M272/M273.

Пластмассы также продолжают внедрять в конструкции двигателей. Выполненные из пластика элементы системы впуска и охлаждения — дело уже привычное. Но дальнейшее расширение номенклатуры маслостойких и теплостойких пластмасс с низким короблением позволило создать пластмассовые картеры ДВС, клапанные крышки, направляющие, корпуса малых конструкций внутри двигателя. Концепты моторов с блоком цилиндров из пластмассы, а точнее, из полимерно-углеродных композиций, уже были представлены публике. При незначительно меньшей прочности, чем у легких сплавов, пластик в производстве обходится дешевле и значительно лучше перерабатывается.

Каков итог?

Изучение вопроса применяемости материалов в двигателестроении показывает четкую направленность: для снижения массы и улучшения других характеристик применение каких-то суперматериалов либо не особо требуется, либо невозможно в принципе в силу физических и химических свойств. Развитие технологий идет путем эволюционным — усовершенствования как самого производства, так и традиционных материалов, реорганизации рабочего процесса и конструкторской оптимизацией. Так что даже в среднесрочной перспективе мы вряд ли увидим революцию в производстве ДВС, скорее речь будет идти о постепенном отказе от этого типа двигателя в принципе в пользу электротехнологий, хотя и там пока не наблюдается бурного технологического прорыва.

dvizhok.su

Современные двигатели: можно ли их починить?

Список операций, выполняемых при капитальном ремонте ДВС, долгое время сохранялся практически неизменным. Расточка и хонингование цилиндров, постелей коленвала и распредвала, восстановление плоскостей ГБЦ и блока, шлифовка и восстановление геометрии коленвала, замена втулок клапанов и восстановление геометрии седел, клапанов и втулок. Еще оставались мероприятия по ремонту серьезно поврежденных узлов и, конечно, замена элементов поршневой группы, поршней и колец, элементов ГРМ, помпы и уплотнений. Сложно? Современные двигатели могут потребовать вдвое больше операций.

Что мы называем «современным двигателем»? С уверенностью можно сказать, что это агрегат с регулируемыми фазами ГРМ, с регулируемой длиной впускного коллектора и катколлектором, часто в алюминиевом блоке, с балансирными валами, часто с турбонаддувом и непосредственным впрыском и обычно с пластиковым впуском. А у дизельных моторов почти наверняка будет система CommonRail и турбины с регулируемой геометрией. У моторов премиум-марок в дополнение окажутся регулируемые маслонасосы и отключаемые цилиндры, хитрая компоновка, электроприводы помпы и маслонасоса.

С определенной степенью вероятности ремонтных размеров поршневой группы у подобных двигателей не будет, только несколько размерных групп и ремонтные комплекты коленвала, а также возможность восстановления седел клапанов. Ремонт в этом случае потребует проверки значительно большего числа узлов и целого ряда точек их установки и крепления, а заодно и замены огромного количества навесного оборудования. Что придется сделать для восстановления надежной работы современного силового агрегата? И насколько список работ будет больше, чем у «классических» моторов из прошлого века?

Базовая операция при капитальном ремонте — это восстановление геометрии поршневой группы, а также работы над блоком цилиндров и коленчатым валом. Даже если блок чугунный или имеет чугунные гильзы, простая расточка обычно бесполезна: нет ремонтных размеров поршней и колец. Индивидуальный заказ, как правило, дорог и может не обеспечить нужного качества и ресурса. Остается только произвести гильзовку блока цилиндров. Эту же операцию придется проделать, если алюминиевый блок имеет технологии упрочнения стенок, не предусматривающие наличия ремонтных размеров и восстановления отдельной гильзы, такие как: напыление, alusil, FRM, nicasil и тому подобные покрытия с повреждениями хотя бы в одном из цилиндров. Для покрытий, наносимых с использованием плазменного напыления или гальваники, возможно локальное восстановление, но оно применяется редко.

Ряд легкосплавных блоков потребуют также целого набора операций по восстановлению резьбы для болтов, заворачиваемых с программируемой вытяжкой, или просто высоконагруженных соединений. Для блоков, изготовленных прессованием, обязательна проверка на микротрещины и герметичность. И конечно, обязательна промывка «рубашки» системы охлаждения. Для блоков цилиндров со встроенными балансирными валами также потребуется дефектовка и замена их подшипников или самих блоков валов.

Часто необходима замена крышки ГРМ или другие внешние элементы в связи с обновлением, улучшением характеристик и устраненными недостатками. А порой пластиковые детали просто не подлежат повторной установке из-за коробления поверхностей или растрескивания.

Ремонт головки блока цилиндров тоже потребует большего числа операций. Тут и чистка всех каналов от масляного шлама и нагара, и проверка на герметичность, и проверка посадочных мест всех клапанов, и тому подобные операции. Часто потребуется восстановление плоскостей, работающих с сальниками распредвалов, если они не выполнены в виде отдельной детали.

Работы с клапанами, их седлами и втулками часто осложняются тем, что эти элементы не ремонтируются, поскольку изготовлены из керамики или с помощью металлокерамической матрицы (MMC), и потому они вырезаются и заменяются на ремонтные целиком, даже при небольших нарушениях геометрии.

Начинка ГБЦ также подвергается серьезной ревизии. Так, замена распредвалов требуется все чаще, даже несмотря на внедрение схем ГРМ с отсутствующим трением скольжения, например на роликовых рокерах. Меняют или ремонтируют регуляторы фаз (фазовращатели) и их клапана управления, сальники систем подачи масла и фильтры. Часто требуют чистки и ремонта каналы системы EGR, если они выполнены непосредственно в теле ГБЦ или блока, как на моторе Mercedes M271. Меняются, дефектуются и чистятся также сопутствующие этой системе детали, клапаны EGR и теплообменники.

Такая деталь, как маслонасос, постепенно превращается в расходный материал. В целом ряде моторов их рекомендуется менять, не доводя до максимального износа, а уж после капремонта точно потребуется новый маслонасос, а заодно его цепь и блок балансирных валов в комплекте.

Такие элементы передовых двигателей, как электрические помпы и разнообразные соленоидные клапаны регулирования давления масла, требуют замены в обязательном порядке. Термостаты тоже превратились в расходный материал, причем менять придется чаще всего все вместе с патрубком, датчиками, системой подогрева и даже собственным приводным ремнем.

Серьезных работ почти наверняка потребуют впускная и выпускная системы. Помимо случавшихся и раньше трещин выпускного коллектора, новым моторам грозит поломка катализаторов. Эта дорогая деталь имеет ограниченный срок службы, а если мотор расходует масло или регулярно запускается при очень низких температурах, катализаторы выходят из строя куда раньше прогнозируемого срока. При повреждении они также способствуют быстрому износу поршневой группы, поставляя пыль сначала через EGR, а затем и непосредственно через выпускные клапаны. Сажевые фильтры у дизельных моторов тоже добавят хлопот при ремонте. Если прожиг невозможен, то потребуется их замена.

Впускной коллектор у очень многих моторов имеет изнашиваемые элементы вроде заслонок и их привода. Он может потерять герметичность из-за разрушения осей заслонок и даже протирания стенок. При установке требует обязательной чистки (особенно у машин с системами EGR), ремонта всех систем изменения геометрии или попросту замены. Добавляют расходов не меняющиеся отдельно от коллектора датчики. Удивительно, но дроссельная заслонка также постепенно переходит в разряд узлов с ограниченным сроком службы: датчики положения заслонки и электропривод все чаще не поставляются отдельно и не являются ремонтопригодными.

Топливная система современного мотора тоже устроена сложнее, чем карбюратор или даже распределенный впрыск, и требует большего внимания. Такие элементы, как насос ТНВД бензиновых и дизельных моторов, форсунки непосредственного впрыска, рампы с датчиками давления, зачастую потребуют серьезной проверки и ремонта, если нужна гарантия качественной работы силового агрегата.

Даже система вентиляции картера у современных моторов не так проста. У атмосферных двигателей появляются как минимум PCV-клапаны, требующие регулярной замены, а если двигатель с наддувом, то протяженность трасс вентиляции возрастает в разы — в них появляются клапаны и почти всегда присутствует так называемая маслоловушка.

Современные поршневые группы создают достаточно большой поток картерных газов, а требования к большим интервалам замены масла заставляют конструкторов улучшать газообмен в картере для предотвращения раннего старения масла. Как итог — большая нагрузка на систему вентиляции, низкий ресурс трубок, высокие требования к качеству ее работы и потери масла при неисправностях.

Каков итог?

Как можно увидеть, ремонт современного мотора представляет собой обширнейший комплекс сложнейших операций, которые многократно увеличивают стоимость не только из-за применения дорогих и высокотехнологичных узлов и компонентов, но и за счет заметно увеличившегося количества трудозатрат. Стоит учитывать и то, что все работы должны выполняться с очень высоким качеством механической обработки и использованием специальных сборочных материалов, приспособлений и при высокой чистоте. Так что стоит много раз подумать, прежде чем покупать по бросовой цене «под восстановление» современную машину с отметкой «требуется небольшой ремонт двигателя».

dvizhok.su

Двигатели без распредвалов, новая технология, которая изменит автоиндустрию

FreeValve, как может работать двигатель без распредвала

Уверен, что многие из наших читателей знают о существования компании под названием. Koenigsegg. Но также мы уверены, что вы почти ничего не слышали о её дочерней фирме под названием FreeValve.

 

Если это действительно так, то добро пожаловать в мир высоких автотехнологий. Скандинавы разработали и претворяют в жизнь чрезвычайно интересный продукт, новый (это не преувеличение) тип двигателя в котором нет таких привычных для всех кто связан с автомобилями деталей, таких как распредвал двигателя.

 

Смотрите также: 1.6 литровый двигатель без распредвала от Qoros 3 развивает 230 л.с.

 

Если взглянуть в прошлое, в 80-е года, топовой и самой продвинутой технологией стала система управления клапанами типа VTEC, 90-е года отличились разработкой и применением продвинутой системой впрыска топлива, чуть позже кульминацией развития прямого впрыска стали поздние 2000-е. Будущее за технологией FreeValve, «без системы распредвалов» приводящего клапаны в движение в ДВС. Но действительно ли это станет будущим моторостроения? Давайте посмотрим вместе.

Как и любая другая технологическая революция, FreeValve Camfree стал технологическим прорывом, который должен (или обязан?) изменить расстановку сил в технологиях создания двигателей внутреннего сгорания. Основной принцип звучит просто и гениально, вместо определённой привязки к определенной, статической формуле, новая технология предлагает гибкость в процессе работы мотора.

 

Технологии изменяемого открытия клапанов существуют уже относительно давно, было сделано множество прототипов от разных автопроизводителей, существуют даже похожие серийные версии от BMW, но ни одна из них не может сравниться с возможностями, которые предлагает новый тип двигателя, разработанный скромной скандинавской компанией. Гениальность продвигаемой системы также не в последнюю очередь заключается в том, что она не подразумевает серьёзных изменений в конструкции самого двигателя. Тем не менее эта кажущаяся простота не помогла избежать FreeValve дороговизны и сложностей производства. Закон бизнеса, новинки стоят всегда немалых денег.

 

Мотор FreeValve на 30% мощнее, в два раза экологичнее и на 20-50% экономичнее обычного распредвального двигателя

 

Как и другие инженеры, сосредоточившиеся на развитии технологий дезактивации и изменяемой степени сжатия, а также изменяемого объёма, парни из FreeValve работали над тем, что называется топовой мировой технологией мотора, стоящей на острие атаки прогресса.

 

В ходе исследований, компания Koenigsegg выяснила, что технология привода клапанов имеет огромный потенциал развития, решение было логичным, разработать реальную систему, основанную на теоретическом опыте, таким образом для достижения амбициозных целей произошло объединение с дочерней компанией Cargine, впоследствии переименованной в FreeValve.

 

Вступление закончилось. Переходим к подробностям.

 

Давайте перейдем к изучению всех нюансов FreeValve технологии, которая не так давно была публично раскрыта для общественности.

 

В чем разница между системой без распредвалов и классической технологией привода клапанов

 

Из названия и описания технологии становится понятным, что речь действительно идет о двигателе, в котором отсутствуют распределительные валы. На самом деле необычный подход к инженерии внутримоторных технологий, главный секрет которых заключается в том, что двигателю не нужны эти валы, поскольку клапаны рассчитаны на индивидуальную работу, каждый по отдельности. Каждый клапан не связан жестко с соседними клапанами, отсюда проистекает название- «свободные клапаны», FreeValve.

 

Главная мысль заключается в том, чтобы работа двигателя внутреннего сгорания стала более эффективной во всех фазах работы. Стандартные распределительные валы ввиду заложенных в них конструктивных особенностей являются крайне компромиссными вариантами, что зачастую приводит к определенным «жертвам», повышенный расход топлива в угоду мощности или низкий крутящий момент на высоких оборотах в угоду пиковой мощности и т.д..

 

С новой технологией инженеры получили возможность сделать двигатель эффективным при любых оборотах и на всех режимах работы, не опасаясь провалов на холостом ходу, посредственной динамики или высокого расхода топлива.

 

Звучит как недосягаемая мечта, но нет ничего невозможного, возможно все, что возможно себе представить. Дочерняя компания Кёнигсегг добилась высоких результатов, создав вполне рабочий, практически серийный экземпляр своей разработки, которую они долгие годы возили от выставки к выставке, представляя прототип на разных своих новинках. Вместо распредвалов, каждый клапан приводится в движение отдельным приводом, работу которых в свою очередь контролирует электроника.

 

Насколько хороша новинка и насколько она дороже обычной системы привода клапанов?

Разработчики утверждают, что система без распредвалов использует на 10% меньше энергии, чем традиционные решения привода. Эти проценты в стандартной схеме двигателя обычно уходят на преодоление трения, привод и работу всей верхней части «головы» мотора, то есть всех этих многочисленных систем. Эффективность использования такого двигателя как несложно догадаться будет на 10% лучше, но гораздо больший выигрыш станет очевидным при экологической проверке.

 

Двигатель может работать в четырех циклах: стандартный- Отто, сложный- Миллера и экономный-Аткинсона. Также двигатель способен воспроизводить цикл Хедмана с изменяемой степенью сжатия

 

Например, в двигателе с искровым зажиганием, (читайте, в бензиновом моторе) с установленным FreeValve можно смело снять каталитический нейтрализатор, а экономичность даже у мощного бензинового двигателя станет сродни дизельному варианту.

 

В результате полученный силовой агрегат станет дешевле эквивалентного дизельного мотора, говорят в FreeValve. На дизельные двигатели также могут быть установлены новомодные электронные приводы клапанов, что в теории должно чуть снизить расход мотора работающего на ДТ и серьезно повысить экологичность его выхлопа.

 

Стоимость новой технологии. Если взять в расчет науку экономику, то получается, что первые 10- 100 тыс. двигателей, построенных по этой технологии, будут стоить дороже обычных типов силовых агрегатов, но в конечном итоге, когда производство будет поставлено на промышленный поток и при достижении определённой «критической массы», стоимость новых типов моторов начнет постепенно снижаться и в итоге сравняется со стоимостью стандартного ДВС.

 

При этом такие моторы будут более эффективными, чем традиционные модели, будут меньше расходовать горючего при увеличении мощности и станут показывать гораздо более приемлемые показатели полки крутящего момента.

 

Что произойдет, если система покажет себя несостоятельной?

Приверженцам классической схемы двигателей и тем людям, которые с опаской принимают все обновления в мире технологий и технических новшеств, наверное, интересно, насколько все будет плохо, при поломке новомодной системы. И вообще, а надежная ли она?

 

Отрицать глупо, любой, даже самый надежный девайс может выдать неприятную осечку, также не стоит забывать про конструктивные дефекты, которые могут быть не выявлены на начальном этапе разработки. Итог предсказуем, дорогая поломка. Но и здесь у FreeValve есть небольшой утешительный козырь в рукаве.

 

Невероятно, но этот двигатель сможет нормально выполнять свои рабочие функции даже при поломке одного или нескольких приводов клапанов, разумеется это скажется на пиковой мощности на высоких оборотах, но как уверяют разработчики, разница будет незначительна.

 

Это интересно: Дизельные моторы: История развития

 

Предусмотрен аварийный вариант работы двигателя,заключается он в том, что даже если 75% приводов клапанов выйдут из строя, автомобиль сможет самостоятельно добраться до СТО, невероятная живучесть. Тестирования продолжаются…, но самое главное, чего разработчики все еще никак не могут побороть, это как раз выносливость такого типа привода. В нем все хорошо, но камень преткновения, состоит в том, что долго система не выхаживает. Однако это временное явление и его удастся нейтрализовать, ведь инженеры по теоретическим расчётам выяснили, надежность такой системы может быть сопоставима со стандартным двигателем ДВС. Смоделированы сотни-миллионов циклов работы приводов, ощутимого износа обнаружено не было. Осталось применить знания на практике и можно выезжать.

 

Шведская компания сравнивает текущую технологию распределительного вала, с игрой на пианино двумя руками, каждая из которых привязана к противоположным концам метлы. Использование каждого пальца по отдельности, как делают пианисты, позволит перейти к индивидуальному управлению клапанами.

 

Из вышесказанного можно сделать вывод:

 

1. На данный момент технология явно сырая. Двигатель не способен пройти столько же, сколько ходят без серьезных проблем моторы с обычной системой распредвалов.

2. Но даже на этом этапе разработки, система показала себя с лучшей стороны. Ни один мотор со стандартной системой газораспределения не способен хоть как-то нормально работать, если перестанут работать 75% клапанов (представим это гипотетически). Более того, перестань функционировать в нормальном режиме хотя бы один из клапанов на обычных ДВС, вы потеряете больше, чем пиковую мощность на высоких оборотах. То есть в плане поломок, если уж что-то произошло с ГРМ, скандинавская технология явно обходит все другие типы моторов.

 

Еще один плюс. На революционном двигателе, как утверждают инженеры, работающие над проектом, невозможна встреча клапанов с поршнями в случае обрыва ремня/растяжения цепи ведь ее здесь просто-напросто нет.

 

Технические нюансы. FreeValve- более, чем полностью изменяемые фазы газораспределения?

Если ответить кратко, по существу, то да, это больше чем двигатель с изменяемыми фазами газораспределения, потому что каждый конкретный клапан может иметь различные «подъемы», как по времени, так и в позиции открытия. Также он может открываться и закрываться с разной скоростью, изменяя частоту, за этим в онлайн режиме следит система бортовых компьютеров высчитывая необходимый режим хода клапана в соответствии с режимом работы двигателя с точностью подъема вплоть до 1/10 миллиметра.

 

Как видно приводы (актуаторы) способны делать это с необычайной точностью, значительно превосходя показатели работы ГРМ в обычном двигателе.

 

Смотрите также: Зачем менять ремень ГРМ

 

Кстати, электроприводы, они же актуаторы, самая важная часть разрабатываемого типа мотора. Клапаны при помощи индивидуальных систем приводятся в движение до 20 тыс. открытий, закрытий в минуту. Датчики контроля положения клапана зорко следят за происходящим, мониторя положение клапанов, внимание, — 100 тыс. раз в 1 секунду (!!!). Причем привод, двигающий клапаны не просто электрический, такой тип не выдерживает колоссальных нагрузок/скоростей/температур и быстро выходит из строя. В компании Koenigsegg разработали «пневмогидроэлектрический тип привода». Каждая из стихий: пневматика, гидравлика и электрика, выполняет сугубо свою отдельную функцию. Пневматикой клапан открывается, при помощи гидравлики- закрывается. Электропривод подает воздух и масло, чтобы в системе было необходимое для работы актуатора давление.

 

Этот тип привода подойдет и гоночному мотоциклу и грузовому автомобилю

 

Еще одна экономическая выгода, о которой стоит упомянуть. Применение гидропневмоэлектро клапанов не требует множества деталей, дорогих и тяжелых. Не нужны шестерни ГРМ, крышка ГРМ, цепь ГРМ (или ремень), распредвал и даже регулятор давления наддува для турбированных двигателей.

 

Смотрите также: Долговечность и срок службы автомобиля

 

Ввиду вышесказанного силовой агрегат можно сделать компактнее и легче традиционного мотора.

 

Когда можно купить автомобиль с таким двигателем?

Удивительно, но первым автомобилем, который выйдет на рынок оборудованный такой безраспредвальной системой, станет не гоночный мощный спорткар Koenigsegg, скорее всего лавры первопроходца достанутся китайской модели Quoros 3, с которым шведский Кенигсегг заключил договор о сотрудничестве. Доступность гарантирована. Несколько месяцев, год или полтора и на дорогах появятся первые ласточки. Учитывая то, что шведы разрабатывали технологию начиная с 2000 года, ждать осталось совсем не долго.

 

Koenigsegg One: Новый король скорости

 

На выходе мы получим более тихий, более экономичный, эффективный и мощный бензиновый мотор по сравнению с современными аналогами. Надеемся реальность не разочарует.

www.1gai.ru

А не спеши ты ДВС хоронить: настоящее и будущее двигателя внутреннего сгорания

Двигатель внутреннего сгорания трудится на благо человечества уже более полутора веков. Чтобы не потерять работу, в ближайшие годы старичку придется измениться до неузнаваемости.

Электрическая розетка стала символом прогресса. Стенды большинства автокомпаний на прошедшем в январе Детройтском автосалоне буквально били током, а любое упоминание о старом добром ДВС звучало дурным тоном. Так что же — двигатель внутреннего сгорания с треском накрылся капотом? Не спешите с соболезнованиями. По‑крайней мере там же, в Детройте, представитель Toyota Коеи Сага на вопрос репортеров о том, когда ДВС, наконец, выйдет из игры, простодушно ответил: «Никогда! Когда кончится нефть, человечество будет заправлять его водородом».

Аналитики американского Департамента энергетики DOE считают, что ДВС может попыхтеть еще несколько десятилетий. Причем прирост эффективности бензиновых и дизельных двигателей к 2020 году может составить 30%, а к 2030-му — 50%. Технологии, которые помогут добиться этих результатов, тестируются уже сегодня.

Вездесущее пламя

В далеком 1978 году группа ученых японского института Clean Engine Research, пытавшихся оптимизировать процесс сгорания топлива в двухтактных мотоциклетных моторах, случайно зафиксировала необычный феномен, названный HCCI (Homogeneous charge compression ignition). При достижении определенного давления в камере бензинового двухтактника возгорание топливовоздушного заряда происходило без искры свечи зажигания. Но самое интересное — вместо привычного зажигания смеси около свечи и последующего распространения пламени на периферию в камере одновременно возникало огромное количество микроочагов возгорания. Как следствие, смесь сгорала при более низкой, чем обычно, температуре, очень быстро и практически полностью. Имеющийся в то время математический аппарат и уровень развития термодинамики не позволили понять причины возникновения феномена HCCI, и его посчитали курьезом. Через 20 лет в арсенале инженеров появились мощные средства компьютерного моделирования, которые помогли приоткрыть завесу тайны над HCCI. Работы в этой области в конце 1990-х годов начались в Германии (Mercedes-Benz, Volkswagen), Японии (Nissan) и Америке (General Motors).


Американский инженер Джон Заяц предложил собственную концепцию ДВС, близкую к двигателю с раздельным циклом Scuderi. Изобретатель утверждает, что его двигатель на 15% экономичнее дизеля и на 30% — бензинового аналога по мощности. В двигателе Заяца воздух из цилиндра сжатия попадает в камеру, в которой создается повышенное давление топливной смеси, на 40% больше обычного уровня для бензиновых моторов. Камера, её форма, принцип работы, дизайн и материалы для изготовления защищены 19 патентами. Воздух в ней смешивается с топливом и возгорается. Процесс сгорания смеси по времени намного продолжительней, чем в обычном ДВС. Внутри камеры создается особая среда — «горячая стена», которая является фактически аккумулятором энергии — неизменная температура и давление в ней сохраняются в 10−100 раз дольше, чем в камере сгорания обычного мотора. Затем раскаленные газы через специальный клапан попадают в рабочий цилиндр. Простота, минимимальное количество деталей и эффективность разработки Zajac Motors привлекли пристальное внимание автогигантов. В 2009 году у Заяца появились серьезные партнеры — General Motors и канадская Magna.

Для образования однородного топливовоздушного облака с предельно низкой плотностью в состав смеси вводятся горячие отработанные газы. Они быстро разогревают этот коктейль, облегчая его перемешивание внутри камеры. Если в условиях классического прямого впрыска топливо распыляется в виде аэрозоля, то в HCCI смесь представляет собой мельчайший туман. Когда поршень сжимает смесь до определенного объема, температура подскакивает до точки самовоспламенения. Сгорание HCCI характерно отсутствием открытого пламени и более низкой, чем у дизельных двигателей, температурой. В результате доля сгоревшего топлива вырастает до 95−97% в сравнении с 75% в циклах Отто и Дизеля. Причем на богатых смесях HCCI не работает — ему нужны почти гомеопатические доли топлива, на 30 и более процентов беднее, чем у лучших современных ДВС.

Тем не менее отработанная технология HCCI — пока еще дело будущего. Термодинамика процесса чрезвычайно сложна и требует от ученых решения массы проблем. Главные из них — неустойчивая работа на холостых и максимальных оборотах, неконтролируемая детонация остатков смеси и неравномерность распределения топливовоздушного облака в камере. Правда, в последние месяцы хорошие новости появляются ободряюще регулярно. Специалисты General Motors сообщают, что сумели обуздать стихию на малых оборотах, а британские инженеры из Lotus заявляют, что построили работающий прототип супердвигателя Omnivore, «снизу доверху» поддерживающий процесс HCCI. По мнению вице-президента компании Bosch Хеннинга Шнайдера, автомобили с расходом топлива в пределах 3 л на 100 км, оснащенные ДВС с технологией HCCI, станут серийными уже в 2015 году. У Volkswagen подход более осторожный — компания разрабатывает новый двигатель, работающий с использованием свечей зажигания при полной нагрузке и на холостом ходу, а в среднем диапазоне оборотов — в режиме HCCI. Инженеры Nissan также не стоят на месте — недавно они объявили о создании мощного софта, позволяющего создать компьютерную модель феномена HCCI, и уже начали работать над собственным супердвигателем.

Разделение труда

В пасхальное утро 2001 года инженер Кармело Скудери собрал в своем доме все семейство и торжественно сообщил, что разработал ДВС нового типа, который перевернет мир. Детальное описание технологии поместилось в нескольких рукописных блокнотах — старик не жаловал компьютер и все свои расчеты делал на логарифмической линейке. В 2002 году Кармело, только начав консультации с учеными Университета Саутвест, умер от инфаркта. Дело отца взяли в свои руки дети Скудери, и спустя всего восемь лет действующий прототип двигателя с разделенным циклом (Split-Cycle Combustion SCC) был представлен на Всемирном конгрессе Общества автомобильных инженеров SAE в Детройте. Надо сказать, что концепция разделенного цикла не нова. Еще в 1891 году американская компания Backus Water Motor Company выпускала малыми сериями такие моторы, но они не получили распространения, и идея сто лет пролежала на полке.

В двигателе Отто каждый поршень последовательно совершает такты всасывания, сжатия, рабочего хода и выпуска. В разработке Скудери обязанности по‑братски делятся между парными цилиндрами: один предназначен для впуска и сжатия, другой — для рабочего такта и выпуска отработанных газов. Цилиндры соединяются между собой каналами с клапанным механизмом, по которым сжатая топливовоздушная смесь поступает в рабочий цилиндр. Двигатель Скудери состоит из двух таких пар.

В цикле Отто рабочий ход происходит на каждом втором обороте коленчатого вала, в двигателе Скудери — на каждом. Разделение функций цилиндров позволяет более эффективно использовать каждый из них, например, увеличить ход рабочего поршня и длительность сгорания топлива, не превышая допустимой степени сжатия топлива. Зажигание смеси происходит после того, как рабочий поршень начинает двигаться вниз, в отличие от обычного двигателя с опережением зажигания. Расчеты показывают, что разделение цикла дает гораздо более высокую степень сжатия смеси и быстрое и полное ее сгорание.


В камере сгорания двигателя с системой HCCI (Homogeneous charge compression ignition) одновременно возникает огромное количество микроочагов возгорания. Экологические характеристики HCCI впечатляют. Если процесс сгорания солярки в дизельных двигателях вызывает повышенное образование сажи и окисей азота, то более «холодному» HCCI эти болячки неведомы. По словам Херманна Миддендорфа, руководителя проекта по разработке суперкомпактных бензиновых моторов EA111 компании Volkswagen, агрегаты типа HCCI смогут обойтись без дорогостоящего катализатора.

Сыновья Кармело усовершенствовали конструкцию мотора, добавив к ней баллон со сжатым воздухом. Воздух поступает в рабочий цилиндр, улучшая процесс сгорания смеси. При этом отработанные газы мотора Скудери содержат на 80% меньше углекислого газа и окисей азота, чем у традиционных четырехтактников. КПД мотора Скудери на 5−10% выше, чем у самых продвинутых современных дизельных турбоагрегатов. Добавление наддува увеличивает разрыв по КПД до 25−50%.

В 2008 году двигатель SCC привлек внимание нескольких крупных автопроизводителей, включая PSA Peugeot Сitroёn и Honda, которые подписали со Scuderi Group соглашения о доступе к изучению патентованной технологии. Немецкий Daimler и итальянский Fiat также публично подтвердили высокий интерес к мотору Скудери. Компания Robert Bosch заключила контракт со Scuderi Group на разработку компонентов к SCC в надежде, что однажды эта технология станет серийной. А выдающийся специалист по термодинамике из Массачусетского технологического института профессор Джон Хейвуд назвал разделенный цикл сгорания реальной альтернативой HCCI. Наладить сборку таких ДВС в промышленных масштабах на существующих заводах несложно — никаких экзотических материалов и нестандартных технологических операций для этого не требуется.

Всеядный двухтактник

Многие специалисты по ДВС сегодня делают ставку на механизм изменяемой степени сжатия VCR (Variable Compression Rate). Еще в марте 2000-го инженеры Saab представили прототип автомобиля с экспериментальным бензиновым двигателем 1,6 л с технологией SVC (Saab Variable Compression). Этот мотор выдавал 228 л.с. и 305 Н•м крутящего момента, потребляя при этом на 30% меньше топлива, чем обычные аналоги по мощности.

За прошедшие десять лет технология VCR сделала огромный шаг вперед. Французская компания MCE объявила недавно о создании двигателя MCE-5VCR. Степень сжатия в нем изменяется в пределах от 7:1 до 20:1, а расход топлива 1,5-литрового мотора на 30% ниже, чем у аналогов. Американская Envera разрабатывает 4-цилиндровый бензиновый VCR объемом 1,85 л со степенью сжатия от 8,5:1 до 18:1. Работа финансируется Департаментом энергетики США. Целевая мощность мотора составляет 300 л.с.- почти 162 л.с. на 1л объема. Расчетный максимальный крутящий момент превышает 400 Н•м при 4000 оборотах вала. Ключевой элемент конструкции — гидравлический актуатор, который поворачивает эксцентрик, связанный с коленвалом двигателя. Качание эксцентрика поднимает и опускает вал относительно головки блока цилиндров, изменяя степень сжатия от 8,5 до 18:1.

Дальше всех в разработке технологии VCR продвинулась знаменитая Lotus Engineering. На Женевском автосалоне в марте 2009 года британцы представили свой концептуальный ДВС Omnivore («Всеядный»). Двухтактный бензиновый мотор с прямым впрыском топлива и изменяемой степенью сжатия от 10:1 до 40:1, по заявлению инженеров Lotus, способен переваривать любое жидкое топливо и при этом экономичен и экологически чист.


Пять тактов, три циллиндра


На выставке Engine EXPO 2009 британская компания Ilmor Engineering представила концептуальный пятитактный ДВС. Идея автора концепции Герхарда Шмитца заключается в использовании четырех- и двухтактной схемы в одном агрегате. Три цилиндра пятитактного ДВС имеют разный внутренний диаметр. Маленькие первый и третий работают по обычному четырехтактному циклу. Средний, низкого давления, — на остаточном расширении отработанных газов в двухтактном режиме.

Во время первых трех тактов смесь, как обычно, всасывается, сжимается и совершает рабочий ход в малых цилиндрах. Во время четвертого такта отработавшие газы перемещаются из малых цилиндров в большой и сжимаются. Остаточное расширение выхлопа в большом цилиндре обусловливает пятый, рабочий такт.

Omnivore — это моноблок с цельнолитыми блоком и головкой. Рабочий объем мотора — всего 0,5 л. Одно из главных преимуществ моноблока — отсутствие выработки диаметра цилиндра. В обычных ДВС износ происходит из-за микронных движений болтов в местах крепления головки к блоку. Инновационный улавливающий клапан CTV (Charge Trapping Valve) в выпускном тракте позволяет варьировать время открытия выпускного клапана в широком диапазоне. Система впрыска FlexDI с давлением 6,5 атм для Omnivore создана австралийской компанией Orbital. Она позволяет готовить сбалансированную смесь внутри цилиндра независимо от вида топлива. Такая смесь является базовой для режима HCCI, а система управления впрыском — основой для управления параметрами HCCI.

Механизм изменения степени сжатия Omnivore представляет собой подвижную шайбу в верхней части цилиндра, движущуюся за счет вращения пары эксцентриков. В нижней позиции шайбы степень сжатия достигает 40:1. В шайбу интегрирован один из инжекторов FlexDI, а второй, неподвижный, встроен в корпус цилиндра. Испытания продемонстрировали надежную работу Omnivore в режиме HCCI во всем диапазоне оборотов, при этом он с солидным зазором уложился в рамки нормативов Евро-6.

Почему британцы взялись за двухтактную конфигурацию? «Lotus Engineering, как и многие другие автокомпании, долго придерживалась четырехтактных концепций. Это следствие исторического доминирования таких агрегатов. Проблема таких ДВС — неэффективное сжигание топлива на частичных и экстремальных нагрузках. Двухтактники не страдают этим недугом и потому крайне интересны для автоиндустрии. Кроме того, они не требуют компактизации», — поясняет Джейми Тернер, главный инженер Lotus Engineering. По оценкам Lotus, коммерциализация Omnivore займет еще полтора-два года.

Статья опубликована в журнале «Популярная механика»
(№3, Март 2010).

www.popmech.ru

Отправить ответ

avatar
  Подписаться  
Уведомление о