Все про сучасних двигунах
ЯК ВСЕ ПОЧИНАЛОСЯ
В цьому році двигун внутрішнього згоряння буде святкувати свій 147-й день народження, так як в далекому 1860 р коли по всьому світу «царювали» кінні екіпажі, громадянин Франції механік Е. # 8197; Ленуар сконструював перший робочий газовий двигун. Цей мотор був досить примхливий і недосконалий, що, в принципі, не дивно. Через довгих 6 років досить добре відомий винахідник Н. # 8197; Отто запропонував світу свою, досить досконалу на той час конструкцію 4-тактного газового двигуна. Прообразом же двигуна внутрішнього згоряння послужила в першу чергу парова машина, так як єдина принципова відмінність - відсутність досить громіздкою паро-котельні установки. З «втратою» парового агрегату в процесі еволюції ДВС придбав свої плюси: значно більший ККД, меншу масу і розміри. Були також і мінуси - двигун вимагав більш якісного та технологічного палива, так як працювати на дровах він уже відмовлявся.
У нашій же країні ДВС був «винайдений» тільки в 80-х роках XIX століття, саме в цей час наш співвітчизник О. # 8197; С. # 8197; Костович працював над конструкцією бензинового карбюраторного двигуна. Подальший же розвиток ДВС пов'язано в першу чергу з ім'ям німецького інженера Рудольфа Дизеля, так як в 1897 році саме він запропонував використовувати стиснення для запалення палива. Це було народженням двигунів, що працюють на важкому паливі, - дизельних двигунів.
Подальший розвиток поршневих двигунів внутрішнього згоряння йшло семимильними кроками. У конструкції моторів змінювалося багато, але незмінна залишалася лише його суть. До чого привела ця еволюція ДВС, спробуємо розібратися в нашому матеріалі.
Час, що минув з часу створення першого ДВС, безумовно, вплинуло і на концепцію створення сучасного поршневого автомобільного двигуна. Девіз двигуна наших днів - більше потужність, менше витрата. Здавалося б, ці два поняття протистоять один одному, але, виявляється, це не так. І для того, щоб це підтвердити, двигуністи різних автомобільних компаній не сплять ночами, придумуючи різні системи, що дозволяють підняти ККД двигуна до межі.
Для того щоб зрозуміти, в якому напрямку надалі буде розвиватися двигунобудування, необхідно усвідомити, які перешкоди стоять на шляху. А перешкоди такі: механічні втрати, неповне використання енергії згоряння палива, питання, пов'язані з економічністю, висока собівартість сучасних двигунів і систем управління, збільшення маси мотора, поліпшення характеристик двигуна.
Почнемо по порядку. Механічні втрати в сучасних двигунах можна знизити кількома способами.
По-перше, значно посилити допуски на виготовлення деталей двигунів.
По-друге, необхідно зменшити інерційність кривошипно-шатунной системи, тобто необхідно максимальне полегшення поршнів, шатунів, колінчастого і розподільного вала, а також маховика. Недарма в сучасних моторах використовуються поршні з короткою «спідницею», виготовлені на основі алюмінієвих сплавів. Причому для їх виробництва використовуються дві технології. За першою технологією виготовляються поршні для невисоко форсованих двигунів - їх виробляють різними методами лиття. За другою технологією виготовляються поршні для форсованих двигунів - методом об'ємного штампування (або, простіше кажучи, куванням). Розподільні вали виготовляються порожнистими за такою технологією: на охолоджену в рідкому азоті трубчасту заготовку вала насаджуються окремо виготовлені кулачки. Маховик роблять максимально легким, щоб не обтяжувати двигун обертанням зайвої маси, та й відгук на натиснення педалі газу при цьому скоротиться.
По-третє, необхідно згадати сучасні моторні масла з низькою в'язкістю, які теж роблять невеликий внесок в скарбничку збільшення ККД, так як знижуються втрати на тертя, як при перекачуванні по масляним каналах, так і всередині самого масла.
По-четверте, розширити застосування різних антифрикційних покриттів, здатних значно зменшити силу тертя, а також використання деталей, виготовлених на основі сполук нітриду і карбіду кремнію, тобто кераміки.
Наступний оголошений нами питання було присвячене економічності сучасних двигунів. Тут використовуються різні концепції мінімалізації витрат палива, просто одні намагаються «вичавити» все з бензинових двигунів, другі роблять ставку на дизельні мотори, ну а треті будують гібридні силові установки. Хто виявиться правим, побачимо в найближчому майбутньому.
Але справа в тому, що незалежно від того, хто якою концепції дотримується, все використовують практично однакові технологічні напрацювання. Сьогодні, наприклад, неможливо побачити сучасний двигун з двома клапанами на циліндр. «Чому?» - запитаєте ви. Та тому, що застосування багатоклапанні (від 3 до 5 клапанів на циліндр) газорозподілу дозволяє знизити насосні втрати і збільшити потужність і економічність двигуна. За прикладом далеко ходити не треба: спробуйте закрити одну ніздрю і пробігти метрів 300, а потім повторити експеримент без накладених раніше обмежень. Відчули різницю? Те ж саме відбувається і з двигуном. До речі кажучи, варто згадати наш автопром, а саме 4 # 8209; циліндрові 8 # 8209; і 16 # 8209; клапанні двигуни АвтоВАЗу: при однаковому обсязі 1,5 літра один з них видавав 78 л. с. а інший - 92.
Необхідно окремо згадати системи регулювання величини підйому клапанів (Honda i-VTEC, BMW Valvotronic, Porsche VarioCam Plus), завдяки яким значно поліпшуються як характеристики двигуна, так і паливна економічність. Для прикладу розглянемо знамениту систему Valvetronic від компанії BMW. Розробляючи цю системи, інженери вирішили кардинально відмовитися від дросельної заслінки, хоча в процесі доведення її все-таки залишили, вона стала служити для діагностики системи Valvetronic і знаходиться постійно в відкритому положенні. Варто нагадати, що при управлінні процесом подачі повітряної суміші за допомогою дроселя виникають значні аеродинамічні опору і завихрення, особливо при неповному відкритті заслінки. Регулювання кількості повітряної суміші в системі Valvetronic мало відбуватися за рахунок зміни величини підйому клапанів, тобто сам клапан при цьому виконував функцію дросельної заслінки. Для цього був розроблений спеціальний механізм, що дозволяв регулювати підйом клапана в межах від 0 до 10 мм. Ідея системи полягає в наступному. Шток завідує відкриттям клапана не на пряму, а через спеціальний важіль, який може змінювати своє положення в просторі, тим самим змінюючи величину переміщення коромисла, яке безпосередньо впливає на клапан. Регулювання важеля здійснюється за допомогою черв'ячної передачі і електромотора, а всім цим процесом керує комп'ютер. Застосування цієї системи призвело до того, що на малих обертах знизилося споживання палива, а на великих зросла потужність, так як значно збільшилася швидкість заповнення циліндрів паливно-повітряною сумішшю. При цьому значно зменшився час відгуку на педаль акселератора. Але у двигунів, оснащених цією системою, з'явився невеликий недолік - відсутність розрядження у впускному колекторі, яке необхідно для роботи вакуумного підсилювача гальм. Проблема була вирішена наступним чином: німецькі інженери взяли і поставили окремий насос, який створював необхідне розрядження.
ГЕТЬ ПОЛОВИНУ ЦИЛИНДРОВ!
Крім таких високотехнологічних заходів, як електропривод помпи, що відключається генератор, електропідсилювач керма, застосовуваних для збільшення економічності двигунів, використовуються також і інші, більш радикальні способи. Наприклад, відключення частини циліндрів на холостому ходу або в режимах часткових навантажень у багатоциліндрових двигунів. Причому до недавнього часу цими системами користувалися в основному американські конструктори, взяти хоча б систему відключення циліндрів Displacement-on-Demand ( «робочий об'єм на вимогу») від компанії General Motor. Задум системи досить простий: після досягнення двигуном робочої температури електроніка починає опитувати різні датчики, і якщо вона виявляє, що мотор працює в режимі часткового навантаження, то припиняє подачу палива в половину циліндрів, тобто в 4. Причому циліндри відключаються по діагоналі, щоб в двигуні не виникли вібрації. Максимальний досягнутий ефект економії палива склав 25% від номінального, і це досить непоганий результат. Схожу систему представила і компанія Honda, показавши громадськості новий 3,4 # 8209; літровий 6 # 8209; циліндровий двигун, в якому при спокійному переміщенні в просторі будуть відключені 3 циліндра.
Підвищити економічність і ККД двигуна можна також за допомогою більш досконалої системи запалювання. Досить згадати знамениті мотори з системою Twin Spark від Alfa-Romeo, де використані дві свічки на циліндр. Ця система, як, в принципі, і багато іншого, перекочувала в автомобільне двигунобудування з авіаційних двигунів ще в 20 # 8209; і роки минулого століття. Друга свічка запалювання дозволила забезпечити більш повне згоряння палива, через що збільшився ККД, та плюс до всього іншого знизилося споживання палива і збільшилася детонаційна стійкість. Недарма в 12 # 8209; циліндровому турбированном двигуні від Mersedes, де питання детонації стоїть найгостріше, застосована система запалювання з двома свічками на циліндр.
Неможливо не згадати в нашій розмові про сучасні віяння двигунобудування: безпосередньому уприскуванні палива в циліндри. Ідея подавати паливо безпосередньо в циліндри досить не нова, вперше її втілили в життя інженери компанії Robert Bosch ще в 30 # 8209; х роках XX століття при конструюванні авіаційних двигунів, причому управління системою було механічним. Довгий час система безпосереднього впорскування палива не знаходила належного застосування, хоча періодично з'являлися автомобілі, оснащені нею. Згадати хоча б легендарний Mercedes-Benz 300SL 1954 року народження, адже він був оснащений механічним уприскуванням від фірми Bosch. Своє друге народження система безпосереднього уприскування пережила на початку 90 # 8209; х років минулого століття, коли стали з'являтися досить надійні і сучасні електронні системи управління.
Великий крок в розвиток і впровадження цих систем зробила компанія Mitsubishi зі своїми двигунами GDI. Унікальність цього двигуна була в тому, що він міг працювати на сверхобедненной паливо-повітряної суміші, в якій співвідношення бензину до повітря по масі досягало 40: 1, це при тому, що ідеальне співвідношення 14,7: 1. Тобто настільки збіднена суміш взагалі не повинна була горіти, але завдяки спеціальній формі поршня і узконаправленного факела розпилу суміш з ідеальним стехиометрическим складом потрапляла прямо на свічку запалювання, хоча по всьому об'єму циліндра була дуже бідною. В даному двигуні було організовано три режими роботи системи.
Перший - уприскування палива відбувався на тактах впуску і стиснення, цей режим був необхідний для збільшення крутного моменту на малих обертах двигуна.
Другий - уприскування в момент впуску, цей режим застосовувався для досягнення двигуном максимальної потужності.
Третій режим - режим уприскування збідненого суміші на такті стиснення застосовувався для збільшення паливної економічності на режимах малої навантаження і холостого ходу.
Окремо варто сказати про те, що уприскування бензину безпосередньо в камеру згоряння дозволяє підвищити детонационную стійкість двигуна, так як при випаровуванні бензин забирає частину тепла у нагрітого в циліндрі повітря. Цей фактор дозволяє підвищити ступінь стиснення і, відповідно, ще більше зменшити витрату палива. При всіх своїх перевагах, а саме збільшенні потужності, паливної економічності і зменшення викидів шкідливих речовин, двигун вийшов досить дорогим, так як в ньому застосовувалися високотехнологічні компоненти. Наприклад, паливний насос високого тиску, що розвивав 50 бар (в останніх розробках тиск досягає 200 бар), а педаль газу не мала прямого зв'язку з дросельною заслінкою. Була також застосована оригінальна головка блоку циліндра, в якій впускні канали зроблені прямими по вертикалі. З того часу як став випускатися цей двигун, пройшло вже більше 10 років, і зараз практично всі виробники приміряли безпосереднє уприскування для своїх двигунів.
Те, що станеться в світі двигунобудування в найближчі 10 років, передбачити досить складно, але визначити генеральні лінії розвитку все-таки можна. Найголовніший напрямок удару - це гібридизація, причому поки акцент, треба сказати, ставиться на бензино-електричний тандем, хоча дизельно-електричний співпрацю, на наш погляд, більш виправдано, особливо якщо головною метою є економія палива, а не маркетингові хитрощі. «Ігри» з воднем, швидше за все, припиняться, так як вигода від автомобілів, оснащених двигунами на надлегкому паливі, досить туманна. Необхідно спочатку отримати водень, а з водню вже за допомогою дорогущих паливних елементів - електрику.
Швидше за все, досить скоро буде представлений двигун, оснащений гідравлічним або електромагнітним приводом клапанів. Це нововведення дозволить відмовитися відразу від двох систем: регулювання фаз газорозподілу і величини підйому клапанів. Та й ККД від цього нововведення теж підросте, так як не потрібно буде приводити в обертальний рух масивні елементи системи газорозподілу. Хотілося б нарешті побачити і серійний двигун, оснащений системою регулювання ступеня стиснення, теоретично він повинен стати дуже економічним.
Подальший розвиток отримають і маленькі «злі» моторчики, оснащені турбонаддувом, так як співвідношення кінських сил і крутного моменту до одиниці маси у них дуже багато. До вихлопній трубі, до речі кажучи, може переїхати і генератор, так як енергія вихлопних газів має велику величину, а практично не використовується. Говорячи про двигуни, не варто забувати дизельні мотори, вони, швидше за все, і отримають чисельну перевагу в майбутньому, тому що вже сьогодні в Європі продається більше дизельних автомобілів, ніж бензинових, але про них ми поговоримо пізніше.
Відгуки користувачів
Свій відгук залишив:
валерий
Я вважаю, що майбутнє за роторними двигунами з розділеними процесами стиснення повітря, спалювання суміші і розширення газів, що горять. Всі вузли такого двигуна масово випускаються: гвинтовий компресор, прямоточная двох контурна камера згоряння і виконавчий двох роторний гвинтовий двигун. Залишається їх з'єднати і двигун готовий. Не потрібно охолодження, нульове тиск газів на виході, найвищі ККД і питома потужність, управління швидкістю і моментом без АКПП!
Свій відгук залишив:
Мещанінов Юрій Костянтинович
Дуже цікавий і досить повний матеріал, але ні слова про моно упорскування і об'ємному займанні робочих сумішей у двигунів з електро іскровим займанням! Але ж при цьому не потрібен уприскування з його позамежним тиском, складністю, вартістю і масою і зберігаються всі інші досягнення і не потрібен нейтралізатор, тому що забезпечується практично повне згоряння і використання пального. Детальніше - при наявності інтересу!
З повагою Юрій.
Замахали зі своїм кодом, просто не хочете дізнатися щось нове!