Очевидно, что двигатель внутреннего сгорания недостаточно экономичен и по сути имеет невысокий КПД. Это заставляет ученых искать альтернативы – в частности, создавать доступный электрический или водородный транспорт. Однако последние разработки показывают, что ДВС можно сделать по-настоящему эффективным. За счет чего это осуществимо и что мешает применять такие технологии на практике уже сейчас?
18.10.2012, ЧТ, 15:09, МскДвигатель внутреннего сгорания без преувеличения раскрутил мотор научно-технического прогресса. Автомобильный транспорт является важнейшим средством перевозки пассажиров и грузов. В США сегодня на 1000 человек приходится почти 800 автомобилей, а к 2020 году в России этот показатель составит около 350 машин на тысячу населения.
Подавляющее большинство из более миллиарда автомобилей на планете все еще используют двигатель внутреннего сгорания (ДВС), изобретенный в XIX веке. Несмотря на все технологические ухищрения и «умную» электронику, коэффициент полезного действия современных бензиновых двигателей все еще "топчется" вокруг отметки в 30%. Самые экономичные дизельные ДВС имеют КПД в 50%, то есть даже они половину топлива выбрасывают в виде вредных веществ в атмосферу.
Естественно, говорить об экономичности ДВС не приходится, особенно если учесть, что современные автомобили сжигают по 10-20 литров горючего на 100 км пути. Не удивительно, что ученые по всему миру пытаются создать доступные электрические и водородные авто. Однако и концепция двигателя внутреннего сгорания не исчерпала потенциал модернизации. Благодаря последним достижениям в области электроники и материалов, появилась возможность создать по-настоящему эффективный ДВС.
Экомотор
Инженеры компании EcoMotors International творчески переработали конструкцию традиционного ДВС. Он сохранил поршни, шатуны, коленвал и маховик, однако новый двигатель на 15-20% эффективнее, кроме того намного легче и дешевле в производстве. При этом двигатель может работать на нескольких видах топлива, включая бензин, дизель и этанол.
В целом двигатель EcoMotors имеет элегантную простую конструкцию, в которой на 50% меньше деталей, чем в обычном моторе
Добиться этого удалось с помощью использования оппозитной конструкции двигателя, в которой камеру сгорания образуют два поршня, двигающихся навстречу друг другу. При этом двигатель двухтактный и состоит из двух модулей по 4 поршня в каждом, соединенных специальной муфтой с электронным управлением. Двигателем полностью управляет электроника, благодаря чему удалось добиться высокого КПД и минимального расхода топлива. Например, в пробке и других случаях, когда полная мощность двигателя не нужна, работает только один модуль из двух, что уменьшает расход топлива и шум.
Хафиятуллин Ринат: Zoom.CNews
Ошибка 404. Не удаётся найти страницу.
Возможно, это случилось по одной из этих причин:
– ошибка при наборе адреса страницы (URL)
– переход по «битой» (неработающей, неправильной) ссылке
– запрашиваемой страницы никогда не было на сайте или она была удалена
Вы можете:
– вернуться назад при помощи кнопки браузера Назад (Back)
– проверить правильность написания адреса страницы (URL)
– воспользоваться картой сайта или перейти на главную страницу
Также мотор оснащен управляемым электроникой турбокомпрессором, который утилизирует энергию выхлопных газов и вырабатывает электроэнергию. В целом двигатель EcoMotors имеет элегантную простую конструкцию, в которой на 50% меньше деталей, чем в обычном моторе. У него нет блока головки цилиндров, он сделан из обычных материалов и издает меньше шума и вибраций. При этом двигатель получился очень легким: на 1 кг веса он выдает мощность больше 1 л.с (на практике он приблизительно в 2 раза легче традиционного двигателя такой же мощности). Более того, изделие EcoMotors легко масштабируется: достаточно добавить несколько модулей и двигатель малолитражки превращается в мотор мощного грузовика.
Опытный двигатель EcoMotors EM100 при размерах 57,9х 104,9х47 см весит 134 кг и выдает мощность 325 л.с. при 3,500 оборотах в минуту (на дизтопливе), диаметр цилиндров - 100 мм. Расход топлива у пятиместного автомобиля с мотором EcoMotors планируется чрезвычайно низкий – на уровне 3-4 л на 100 км.
Экономия во всем
Компания Achates Power поставила себе цель разработать ДВС с расходом топлива 3-4,5 л на 100 км для автомобиля размером с Ford Fiesta. Пока их экспериментальный дизельный двигатель демонстрирует гораздо больший аппетит, но разработчики надеются уменьшить расход. Однако главное в данном моторе – исключительно простая конструкция и низкая себестоимость. Согласимся, что экономия на топливе мало чего стоит, если она обошлась ценой многократного удорожания мотора.
Двигатель Achates Power имеет предельно простую конструкцию
Двигатель Achates Power имеет предельно простую конструкцию. Это двухтактный оппозитный дизельный мотор, в котором два поршня движутся навстречу друг другу, образуя камеру сгорания. Таким образом отпадает необходимость в головке блока цилиндров и сложном газораспределительном механизме. Большинство деталей мотора изготавливаются с помощью несложных производственных процессов и не требуют дорогих материалов. В целом, двигатель содержит намного меньше деталей и металла, чем обычный.
В настоящее время на испытаниях мотор Achates Power демонстрирует экономичность на 21% большую, чем лучшие "традиционные" дизельные двигатели. Более того, он имеет модульную конструкцию, большую удельную мощность (соотношение вес/л.с.). Также благодаря особой форме верхней части поршня создается вихревой поток особой формы, обеспечивающий отличное перемешивание топливовоздушной смеси, эффективный теплоотвод и уменьшающий время сгорания. В результате двигатель не только соответствует военным спецификациям армии США, но и превосходит по характеристикам двигатели, которые сегодня устанавливаются на боевую технику.
Простой способ
Американская компания Transonic Combustion решила не создавать новый двигатель, а добиться внушительной (25-30%) экономии топлива с помощью новой системы впрыска.
Высокотехнологичная система впрыска TSCiTM не требует радикальных переделок двигатели и, по сути, представляет собой набор инжекторов и специальный топливный насос.
Процесс сгорания TSCiTM использует непосредственный впрыск бензина в виде сверхкритической жидкости и специальную систему зажигания
Процесс сгорания TSCiTM использует непосредственный впрыск бензина в виде сверхкритической жидкости и специальную систему зажигания.
Сверхкритическая жидкость – это состояние вещества при определенной температуре и давлении, когда оно не является ни твердым телом, ни жидкостью, ни газом. В таком состоянии вещество приобретает интересные свойства, например, не имеет поверхностного натяжения, и образует мелкодисперсные частицы в процессе фазового перехода. Кроме того сверхкритическая жидкость обладает способностью быстрого переноса массы. Все эти свойства крайне полезны в двигателе внутреннего сгорания, в частности, сверхкритическое топливо быстро смешивается, не имеет крупных капель, быстро сгорает с оптимальным тепловыделением и высокой эффективностью цикла.
Электронный клапан
Компания Grail Engine Technologies разработала уникальный двухтактный двигатель с очень заманчивыми характеристиками. Так, при потреблении 3-4 литров на "сотню", двигатель выдает 200 л.с. Мотор с мощностью 100 л.с. весит менее 20 кг, а мощностью 5 л.с. – всего 11 кг! При этом Grail Engine, в отличие от обычных двухтактных моторов, не загрязняет топливо маслом из картера, а значит, соответствует самым жестким экологическим стандартам.
Сам двигатель состоит из простых деталей, в основном изготавливаемых способом отливки. Секрет выдающихся характеристик кроется в схеме работы Grail Engine. Во время движения поршня вверх, внизу создается отрицательное давления воздуха и через специальный углепластиковый клапан воздух проникает в камеру сгорания. В определенной точке движения поршня начинает подаваться топливо, затем в верхней мертвой точке с помощью трех обычных электросвечей происходит зажигание топливно-воздушной смеси, клапан в поршне закрывается. Поршень идет вниз, цилиндр заполняется выхлопными газами. По достижении нижней мертвой точки поршень опять начинает движение вверх, поток воздуха вентилирует камеру сгорания, выталкивая выхлопные газы, цикл работы повторяется.
Секрет выдающихся характеристик кроется в схеме работы Grail Engine
Компактный и мощный Grail Engine идеально подходит для гибридных автомобилей, где бензиновый мотор вырабатывает электроэнергию, а электромоторы крутят колеса. В такой машине Grail Engine будет работать в оптимальном режиме без резких скачков мощности, что существенно повысит его долговечность, снизит шум и расход топлива. При этом модульная конструкция позволяет присоединять к общему коленвалу два и более одноцилиндровых Grail Engine, что дает возможность создания рядных двигателей различной мощности.
Новые модели авто появляются каждый год – но по каким-то причинам на них не стоят вышеописанные экономичные и простые двигатели. Действительно, двигателями новой конструкции интересуются все: от вездесущего инвестора Билла Гейтса до Пентагона. Однако автопроизводители не спешат устанавливать новинки на свои машины. Видимо, все дело в том, что крупные автоконцерны сами производят двигатели и, естественно, не желают делиться прибылью со сторонними разработчиками. Но в любом случае жесткие экологические стандарты и электромобили заставят автопроизводителей внедрять новые технологии, гораздо более важные для здоровья людей и всей планеты, чем мультимедийные системы и дизайнерские изыски.
Михаил Левкевич
РаспечататьОчевидно, что двигатель внутреннего сгорания недостаточно экономичен и по сути имеет невысокий КПД . Это заставляет ученых искать альтернативы – в частности, создавать доступный электрический или водородный транспорт. Однако последние разработки показывают, что ДВС можно сделать по-настоящему эффективным. За счет чего это осуществимо и что мешает применять такие технологии на практике уже сейчас?
Двигатель внутреннего сгорания без преувеличения раскрутил мотор научно-технического прогресса. Автомобильный транспорт является важнейшим средством перевозки пассажиров и грузов. В США сегодня на 1000 человек приходится почти 800 автомобилей, а к 2020 году в России этот показатель составит около 350 машин на тысячу населения.
Подавляющее большинство из более миллиарда автомобилей на планете все еще используют двигатель внутреннего сгорания (ДВС), изобретенный в XIX веке. Несмотря на все технологические ухищрения и «умную» электронику, коэффициент полезного действия современных бензиновых двигателей все еще «топчется» вокруг отметки в 30%.
Самые экономичные дизельные ДВС имеют КПД в 50%, то есть даже они половину топлива выбрасывают в виде вредных веществ в атмосферу.
Естественно, говорить об экономичности ДВС не приходится, особенно если учесть, что современные автомобили сжигают по 10–20 литров горючего на 100 км пути. Не удивительно, что ученые по всему миру пытаются создать доступные электрические и водородные авто. Однако и концепция двигателя внутреннего сгорания не исчерпала потенциал модернизации.
Благодаря последним достижениям в области электроники и материалов, появилась возможность создать по-настоящему эффективный ДВС.
Экомотор
Инженеры компании EcoMotors International творчески переработали конструкцию традиционного ДВС. Он сохранил поршни, шатуны, коленвал и маховик, однако новый двигатель на 15–20% эффективнее, кроме того намного легче и дешевле в производстве. При этом двигатель может работать на нескольких видах топлива, включая бензин, дизель и этанол.
Рис. 1. В целом двигатель EcoMotors имеет элегантную простую конструкцию, в которой на 50% меньше деталей, чем в обычном моторе.
Добиться этого удалось с помощью использования оппозитной конструкции двигателя, в которой камеру сгорания образуют два поршня, двигающихся навстречу друг другу . При этом двигатель двухтактный и состоит из двух модулей по 4 поршня в каждом, соединенных специальной муфтой с электронным управлением.
Двигателем полностью управляет электроника , благодаря чему удалось добиться высокого КПД и минимального расхода топлива. Например, в пробке и других случаях, когда полная мощность двигателя не нужна, работает только один модуль из двух, что уменьшает расход топлива и шум.
Также мотор оснащен управляемым электроникой турбокомпрессором , который утилизирует энергию выхлопных газов и вырабатывает электроэнергию. В целом двигатель EcoMotors имеет элегантную простую конструкцию, в которой на 50% меньше деталей, чем в обычном моторе. У него нет блока головки цилиндров, он сделан из обычных материалов и издает меньше шума и вибраций.
При этом двигатель получился очень легким: на 1 кг веса он выдает мощность больше 1 л.с (на практике он приблизительно в 2 раза легче традиционного двигателя такой же мощности). Более того, изделие EcoMotors легко масштабируется: достаточно добавить несколько модулей и двигатель малолитражки превращается в мотор мощного грузовика.
Опытный двигатель EcoMotors EM100 при размерах 57,9х 104,9х47 см весит 134 кг и выдает мощность 325 л.с. при 3,500 оборотах в минуту (на дизтопливе), диаметр цилиндров – 100 мм. Расход топлива у пятиместного автомобиля с мотором EcoMotors планируется чрезвычайно низкий – на уровне 3–4 л на 100 км .
Экономия во всем
Компания Achates Power поставила себе цель разработать ДВС с расходом топлива 3–4,5 л на 100 км для автомобиля размером с Ford Fiesta. Пока их экспериментальный дизельный двигатель демонстрирует гораздо больший аппетит, но разработчики надеются уменьшить расход. Однако главное в данном моторе – исключительно простая конструкция и низкая себестоимость . Согласимся, что экономия на топливе мало чего стоит, если она обошлась ценой многократного удорожания мотора.
Рис. 2. Двигатель Achates Power имеет предельно простую конструкцию.
Двигатель Achates Power имеет предельно простую конструкцию. Это двухтактный оппозитный дизельный мотор, в котором два поршня движутся навстречу друг другу, образуя камеру сгорания. Таким образом отпадает необходимость в головке блока цилиндров и сложном газораспределительном механизме. Большинство деталей мотора изготавливаются с помощью несложных производственных процессов и не требуют дорогих материалов. В целом, двигатель содержит намного меньше деталей и металла, чем обычный.
В настоящее время на испытаниях мотор Achates Power демонстрирует экономичность на 21% большую, чем лучшие «традиционные» дизельные двигатели. Более того, он имеет модульную конструкцию, большую удельную мощность (соотношение вес/л.с.). Также благодаря особой форме верхней части поршня создается вихревой поток особой формы, обеспечивающий отличное перемешивание топливовоздушной смеси, эффективный теплоотвод и уменьшающий время сгорания.
В результате двигатель не только соответствует военным спецификациям армии США, но и превосходит по характеристикам двигатели, которые сегодня устанавливаются на боевую технику.
Простой способ
Американская компания Transonic Combustion решила не создавать новый двигатель, а добиться внушительной (25–30%) экономии топлива с помощью новой системы впрыска.
Высокотехнологичная система впрыска TSCiTM не требует радикальных переделок двигатели и, по сути, представляет собой набор инжекторов и специальный топливный насос.
Рис. 3. Процесс сгорания TSCiTM использует непосредственный впрыск бензина в виде сверхкритической жидкости и специальную систему зажигания.
Процесс сгорания TSCiTM использует непосредственный впрыск бензина в виде сверхкритической жидкости и специальную систему зажигания.
Сверхкритическая жидкость – это состояние вещества при определенной температуре и давлении, когда оно не является ни твердым телом, ни жидкостью, ни газом . В таком состоянии вещество приобретает интересные свойства, например, не имеет поверхностного натяжения, и образует мелкодисперсные частицы в процессе фазового перехода. Кроме того сверхкритическая жидкость обладает способностью быстрого переноса массы. Все эти свойства крайне полезны в двигателе внутреннего сгорания, в частности, сверхкритическое топливо быстро смешивается, не имеет крупных капель, быстро сгорает с оптимальным тепловыделением и высокой эффективностью цикла.
Электронный клапан
Компания Grail Engine Technologies разработала уникальный двухтактный двигатель с очень заманчивыми характеристиками.
Так, при потреблении 3–4 литров на «сотню», двигатель выдает 200 л.с. Мотор с мощностью 100 л.с. весит менее 20 кг, а мощностью 5 л.с. – всего 11 кг! При этом Grail Engine, в отличие от обычных двухтактных моторов, не загрязняет топливо маслом из картера, а значит, соответствует самым жестким экологическим стандартам.
Сам двигатель состоит из простых деталей, в основном изготавливаемых способом отливки. Секрет выдающихся характеристик кроется в схеме работы Grail Engine. Во время движения поршня вверх, внизу создается отрицательное давления воздуха и через специальный углепластиковый клапан воздух проникает в камеру сгорания. В определенной точке движения поршня начинает подаваться топливо, затем в верхней мертвой точке с помощью трех обычных электросвечей происходит зажигание топливно-воздушной смеси, клапан в поршне закрывается. Поршень идет вниз, цилиндр заполняется выхлопными газами. По достижении нижней мертвой точки поршень опять начинает движение вверх, поток воздуха вентилирует камеру сгорания, выталкивая выхлопные газы, цикл работы повторяется.
Рис. 4. Секрет выдающихся характеристик кроется в схеме работы Grail Engine.
Компактный и мощный Grail Engine идеально подходит для гибридных автомобилей, где бензиновый мотор вырабатывает электроэнергию, а электромоторы крутят колеса.
В такой машине Grail Engine будет работать в оптимальном режиме без резких скачков мощности, что существенно повысит его долговечность, снизит шум и расход топлива. При этом модульная конструкция позволяет присоединять к общему коленвалу два и более одноцилиндровых Grail Engine, что дает возможность создания рядных двигателей различной мощности.
Новые модели авто появляются каждый год – но по каким-то причинам на них не стоят вышеописанные экономичные и простые двигатели. Действительно, двигателями новой конструкции интересуются все: от вездесущего инвестора Билла Гейтса до Пентагона. Однако автопроизводители не спешат устанавливать новинки на свои машины. Видимо, все дело в том, что крупные автоконцерны сами производят двигатели и, естественно, не желают делиться прибылью со сторонними разработчиками.
Но в любом случае жесткие экологические стандарты и электромобили заставят автопроизводителей внедрять новые технологии, гораздо более важные для здоровья людей и всей планеты, чем мультимедийные системы и дизайнерские изыски.
Развитие двигателестроения в разных странах имеет свои особенности, обусловленные различным уровнем промышленного потенциала, состоянием топливных ресурсов, традициями и спросом. Однако основные направления поисков при этом остаются общими. Сегодняшние усилия специалистов направлены в основном на разработку и изготовление современных легких и компактных, мощных и экономичных двигателей, в отработавших газах которых содержался бы минимум токсичных веществ. В последнее время значительно повысились и требования к уровню шума и вибрации. Таково настоятельное веление экологии.
За рубежом отмечают, что даже при интенсивных поисках и исследованиях, приводящих к созданию новых типов двигателей, часто весьма необычных, поршневые двигатели внутреннего сгорания останутся основным типом транспортных двигателей как в XX, так и в начале XXI века. Несмотря на их солидную историю ДВС (бензиновый двигатель недавно отпраздновал свой столетний юбилей), инженерная мысль постоянно находит что-то новое или даже вновь возвращается к забытому старому.
Как снизить трение
Поиски путей повышения механического КПД привели в первую очередь к стремлению максимально уменьшить площади трущихся поверхностей, снизить затраты мощности на привод вспомогательных механизмов, применять смазочные масла с пониженной вязкостью и определенными присадками.Многие ведущие фирмы, разрабатывающие и производящие двигатели для транспортных средств, исследуют возможности улучшения качества обработки внутренних поверхностей цилиндров и облегчения возвратно-поступательно движущихся частей. Последнее приводит к уменьшению сил инерции, что позволяет уменьшить диаметр шеек коленчатого вала и соответственно снизить потери на трение в подшипниках скольжения.
Делаются попытки снизить трение в паре цилиндр-поршень. Например, предлагается изготовлять поршни с площадками трения, выступающими над поверхностью направляющей части поршня на 25 мкм. Две такие площадки делают на противоположных сторонах диаметра под нижним поршневым кольцом и по одной на нижней части юбки симметрично плоскости качания шатуна. Общая площадь трения поршня о стенки цилиндра при этом уменьшается на 40-70% (в зависимости от длины юбки поршня) по сравнению с поршнями обычной конструкции. Для создания лучших условий гидродинамической смазки и сохранения устойчивого масляного клина между трущимися поверхностями кромки этих контактных площадок были скошены под углом 1°.
Стендовые испытания показали, что в бензиновых двигателях и дизелях с такими модифицированными поршнями потери на трение уменьшаются на 7-11%, достигается экономия топлива при работе на полной нагрузке на 0,7-1,5%, а эффективная мощность возрастает на 1,5-2%.
Важно не только снизить потери на трение, но и повысить надежность трущихся пар. Современная технология открывает широкие возможности: износостойкие и антикоррозионные покрытия, термомеханическая обработка поверхностей, плазменное напыление порошкообразных твердых сплавов и многое другое.
Материалы будущего
Завтрашний день моторостроения все теснее связывается с использованием легких сплавов, композиционных и пластических материалов, керамики.Так, в прошлом году выпуск западными фирмами двигателей с блоками цилиндров из алюминиевых сплавов достиг 50% от общего производства, а головок цилиндров из легких сплавов - 75%. Практически все быстроходные двигатели малого и среднего рабочего объема комплектуются поршнями из алюминиевых сплавов.
Японские автомобильные фирмы используют на серийно выпускаемых двигателях головки блока из сплава алюминия с титаном.
В США ведутся работы по изготовлению блоков методом штамповки из низкоуглеродистой стали толщиной всего 2,3 мм. Это удешевляет производство и дает экономию в весе по сравнению с чугунным блоком (вес штампованного стального блока не превышает веса блока, отлитого из алюминиевого сплава). Для деталей двигателя, работающих в условиях большого перепада температур, проводятся эксперименты по армированию алюминиевых сплавов волокнами бора.
Работы по созданию деталей двигателя из композиционных материалов с волоконным армированием (главным образом, шатунов и поршневых пальцев) начаты в ФРГ. Во время предварительных испытаний шатуны выдержали 10 млн. циклов сжатия-растяжения без разрушения. Такие шатуны на 54% легче обычных стальных. Сейчас они уже испытываются в реальных условиях работы двигателя.
Двумя американскими фирмами в рамках совместной программы «пластмассовый двигатель» разработан 4-цилиндровый двигатель с рабочим объемом 2,3 л, который имеет два распредвала и шестнадцатиклапанную головку блока (по 4 клапана на цилиндр). Блок и головка цилиндров, поршни (с термостойким покрытием), шатуны, детали газораспределения и поддон изготовлены из волокнистых пластических масс. Это позволило уменьшить удельный вес двигателя с 2,25 до 0,70 кг/кВт, на 30% снизился уровень шума.
Двигатель развивает эффективную мощность 240 кВт и имеет массу 76,4 кг (в гоночном варианте). Аналогичный двигатель из стали и чугуна весит 159 кг. Общая доля пластмассовых деталей составляет 63%.
В этом «пластмассовом» двигателе применяется стандартная система смазки и традиционная водяная система охлаждения. Самая крупная деталь - блок цилиндров - была изготовлена из композиционного материала (эпоксидная смола с графитовым волокном). В двигателе широко использован высококачественный термопласт «Торлон», который по химическому составу аналогичен полиамиду. Предполагается, что широкое применение этого термопласта может начаться через 10 лет.
Что может керамика
Современные бензиновые и дизельные двигатели лишь треть энергии, полученной при сжигании топлива, преобразуют в механическую. Остальная часть уходит на теплообмен, теряется вместе с отработавшими газами. Увеличить термический КПД двигателя, его топливную экономичность и уменьшить выброс токсичных веществ в атмосферу возможно путем повышения температуры процесса в камере сгорания. Для этого требуются детали, выдерживающие более жесткий температурный режим. Таким, поистине «революционным» материалом для двигателей оказалась керамика.Однако единого мнения о целесообразности ее широкого применения нет. Добиться совершенства структурных свойств этих материалов пока еще не удалось. Цены керамических материалов высоки. Технология их обработки, включающая, например, алмазное шлифование, сложна и дорога. Обрабатывать керамические детали из-за чувствительности их к внутренним дефектам сложно. Детали из керамики разрушаются не постепенно, а сразу и полностью. Однако все это не означает, что от керамики нужно отказаться. Новый материал весьма интересен и перспективен: он позволяет повысить рабочую температуру двигателей внутреннего сгорания с 700° до 1100°С и создать дизель с термическими КПД≈48 % (напомним, что у обычного дизеля он составляет ≈36%).
В США, например, сконструирован, изготовлен и испытан 6-цилиндровый дизель без традиционной системы охлаждения с рядом деталей, имеющих жаропрочное покрытие из оксида циркония. Этот двигатель мощностью 170 кВт и рабочим объемом 14 л был установлен на 4,5-тонном грузовом автомобиле. За пробег в 10 000 км он показал средний удельный расход топлива на 30-50% меньше, чем у обычных автомобилей этого класса.
Японские фирмы, которые ведут наибольший объем исследовательских работ по керамическим материалам и за 10 лет экспериментов затратили уже около 60 млн. дол., настроены более оптимистично. Предполагается, что «неподвижные» керамические детали для дизелей будут запущены в серийное производство с текущего года, а вся номенклатура керамических деталей - к 1990 г. Доля керамических материалов в деталях двигателей составит к 2000 г. от 5 до 30%.
Керамика всегда была и останется хрупкой. Вопрос заключается в том, чтобы с помощью новейших технологических процессов увеличить ее прочность и стойкость до величин, обеспечивающих работоспособность двигателей. По мнению ученых, основные успехи применения высокопрочной керамики будут достигнуты не после появления новых материалов, а при разработке и внедрении новых прогрессивных технологических приемов и методов формирования материалов с заранее заданными свойствами.
Разработанные керамические покрытия для деталей камер сгорания и подшипников могут стать важным этапом на пути создания «монолитных» деталей, полностью изготовленных из керамики. Одним из наиболее перспективных направлений в создании высокоэффективных керамических материалов считается применение лазеров для формирования частиц материала с одинаковыми размерами (формовочные порошки с частицами разной величины резко снижают прочностные свойства деталей из керамики). Успешное решение всех «керамических» проблем окажет значительное влияние на экономику двигателестроения. Себестоимость ДВС можно будет снизить не только потому, что исходные материалы станут дешевле, а затраты на производство сократятся, но и благодаря тому, что двигатели станут более простыми по конструкции. Отказ от радиаторов (холодильников), водяных насосов, их приводов, водяной рубашки блока цилиндров резко снизит массу и габариты двигателей.
Более того, можно будет отказаться от привычных смазочных материалов. Не исключено, что новые смазочные материалы будут твердыми или даже газообразными, их можно будет применять в условиях высоких температур.
Что такое турбонаддув и каким он бывает
Общим направлением развития для всех поршневых ДВС (бензиновых, дизельных, роторно-поршневых и др.) является широкое применение наддува.Наддув как эффективное средство повышения литровой мощности известен давно. Сначала он появился в авиации 20-х годов, затем на гоночных автомобилях. Это были ротативные нагнетатели с механическим приводом (наиболее часто применялся нагнетатель типа «Руте» с двумя двух- или трехлопастными роторами). Затем они перекочевали на двигатели грузовых автомобилей. Как в отечественном, так и в зарубежном судовом двигателестроении этот тип нагнетателей применяется уже в течение нескольких десятилетий. В последние годы стали использовать нагнетатели с газотурбинным приводом - турбокомпрессоры (ТК); поэтому сейчас в серийно выпускаемых автомобильных двигателях малого и среднего рабочего объема в качестве агрегата наддува используется исключительно ТК. Его широкому распространению способствовали относительно низкая стоимость, технологичность, компактность и обеспечение высоких показателей двигателя. Особенно удобен ТК для двигателей катеров, тракторов и стационарных агрегатов, работающих длительное время в режиме постоянной частоты вращения вала двигателя.
Введение наддува и одновременное снижение рабочего объема двигателя позволяет снимать необходимую мощность при большем открытии дроссельной заслонки, поэтому двигатель значительную часть времени работает в области режимов, соответствующих наименьшим удельным расходам топлива. Резерв мощности для разгона и форсированных режимов обеспечивается наддувом.
Чему способствует наддув? Улучшается подготовка заряда к сгоранию, так как свежий заряд имеет повышенную плотность; увеличивается массовая скорость на входе в цилиндр, улучшаются параметры топливного заряда перед воспламенением. Благодаря этому повышается массовая скорость сгорания, увеличиваются максимальные значения давления и рабочей температуры.
Подавляющее большинство двигателей в мире производится для автомобилей, которые движутся в режиме частых ускорений и замедлений (особенно в городах), поэтому фирмы, выпускающие двигатели и ТК, занялись исследованиями новых (или забытых старых, но с применением новых материалов) типов нагнетателей. Объясняется это тем, что радиально-осевой ТК, состоящий из газовой турбины, которая работает от выхлопных газов, и нагнетателя (оба колеса закреплены консольно на одной оси), имеет принципиальные недостатки: инерционность и зависимость подачи от энергии отработавших газов (ОГ). Именно инерционностью объясняется запаздывание достижения максимального крутящего момента и максимальной мощности по сравнению с частотой вращения коленчатого вала двигателя. Проблему можно решить как созданием дополнительных регулирующих устройств, так и возвращением к нагнетателям с механическим приводом.
Например, в Японии разработан ТК с изменяемой геометрией сопла для двигателя с рабочим объемом 2 л. Новый агрегат улучшает динамические характеристики двигателя, увеличивает крутящий момент на 12% и сокращает время выхода на режим максимального давления наддува. Диаметр входного отверстия сопла варьируется заслонкой с электронным управлением в соответствии с входным потоком воздуха. Входной поток воздуха ТК прямо пропорционален выходному потоку ОГ; таким образом изменение входа увеличивает эффективность работы турбоагрегата на низких и высоких частотах вращения.
Нагнетатели с механическим приводом менее инерционны, обеспечивают синхронное с частотой вращения коленчатого вала двигателя увеличение крутящего момента. К недостаткам приводных нагнетателей относят их значительные вес и габариты, а также более низкий КПД по сравнению с аналогичными ТК, повышенный уровень шума. Нагнетатели с механическим приводом требуют высокой точности изготовления; для получения высокого давления наддува при высоком КПД нагнетателя необходимо внутреннее охлаждение роторов. Стоимость их выше стоимости ТК.
Разрабатываются лопаточные нагнетатели коловратного типа с клиноременным приводом и регулируемым сечением на входе; исследуется возможность использования центробежных компрессоров с механическим приводом через бесступенчатый вариатор для согласования его производительности с характеристикой двигателя.
Одной из новых и весьма перспективных конструкций являются волновые обменники давления (ВОД) типа «Компрекс», которые используют как газотурбинный привод, так и механический. На привод агрегата расходуется около 1,0% мощности двигателя. Наддув с применением ВОД существенно повышает мощность двигателя в зоне эксплуатационных режимов. Так, например, для 4-цилиндрового ДВС рабочим объемом 1,7 л применение ВОД «Компрекс» дало повышение мощности до величины, эквивалентной мощности ДВС объемом 2,5 л. На двигателе «Заурер» мощностью 232 кВт форсировка по мощности составила 50 %, а по крутящему моменту 30-50%.
Применение нагнетателей (любого типа) потребовало разработки охладителей воздуха, называемых также промежуточными охладителями, так как при сжатии воздуха он нагревается. Охладители увеличивают экономичность двигателей и их мощность, поскольку плотность воздуха, поступающего в камеры сгорания, повышается. Температура воздуха на выходе достигает 120°С, а температура воздуха на входе во всасывающий коллектор должна быть в пределах 38-60°С. Оптимальная температура для дизелей примерно 50°С. Если наддувочный воздух охладить до более низкой температуры, то несмотря на увеличение плотности заряда мощность уменьшится, так как произойдет ухудшение процесса сгорания. Точное регулирование температуры промежуточного воздуха увеличивает мощность на 10%.
В настоящее время совершенствование рабочих процессов с целью повышения экономичности ДВС и снижения токсичности отработавших газов идет главным образом по пути применения обедненных топливо-воздушных смесей, т. е. смесей с уменьшенным содержанием бензина. В новейших экспериментальных конструкциях ДВС это позволило снизить расход топлива на 25-28%.
Как известно, для сгорания 1 кг бензина необходимо 15 кг воздуха. Таким образом нормальная топливо-воздушная смесь имеет состав 15:1. Состав смеси принято характеризовать коэффициентом избытка воздуха а. который представляет собой отношение количества воздуха на 1 кг топлива в данной смеси, к теоретически необходимому для полного сгорания этой порции топлива. Для нормальной смеси α=1,0; α>1 - соответствует обедненной и бедной смеси; α
Препятствием для применения обедненных смесей, а также и дальнейшего повышения частоты вращения коленчатого вала является то, что время сгорания поступившего в цилиндр заряда существенно увеличивается. Известно, например, что при α=1,67 время горения в 5 раз больше, чем при α=1,00. Наконец, при каких-то критических значениях а воспламенение обедненной смеси в обычных условиях ламинарного (упорядоченного, без перемешивания слоев) потока становится вообще невозможным.
Для того чтобы обойти это препятствие, потребовалась разработка каких-то специальных устройств и систем, обеспечивающих активное перемешивание смеси - турбулизацию , т. е. превращение ламинарного ее потока в турбулентный (вихреобразный), и так называемое послойное распределение заряда .
Сущность послойного распределения заряда в камере сгорания (КС) состоит в том, что поступившая порция смеси разделяется на слои с различным значением α - обогащенные и еще более обедненные. Обогащенная часть заряда в момент срабатывания свечи зажигания располагается у ее электродов. Она воспламеняется легко и обеспечивает быстрое воспламенение всего остального объема обедненной смеси.
Пути совершенствования рабочих процессов
Эффективным средством для турбулизации потока смеси стал так называемый «squish-эффект». Организуются мощный осевой вихрь в момент впуска заряда, а затем хорошо перемешивающие смесь радиально направленные потоки в конце процесса сгорания.Первоначальные варианты подобных устройств имели существенный недостаток - уменьшали поступление рабочей смеси на 20%. В результате большой экспериментальной работы удалось снизить падение расхода до 10%, что считается вполне приемлемым и компенсируется повышением эффективности основного процесса.
Разработано специальное вихреобразующее устройство «Секон», создающее в цилиндре двигателя два противоположно направленных осевых вихря. Необходимый эффект обеспечивается имеющими довольно сложную форму разнопрофильными выступами, сделанными на седле впускного клапана. Использование этого устройства на мотоциклетном двигателе «Сузуки» при крайне незначительном падении мощности снижает расход топлива на 6,5-14,0%.
В современных ДВС все более широко применяются различные варианты организации (в конце такта сжатия) радиального движения потока смеси к оси цилиндра. Это делается при помощи образования каких-то вытеснительных поверхностей на днище поршня и на головке цилиндра, т. е. в зоне камеры сгорания (КС). Наиболее совершенной является система «Мэй Фэйрболл», применяемая на двигателях «Ягуар-5,3Л» со степенью сжатия 11,5. На частичных нагрузках этот двигатель устойчиво работает при значениях а до 1,5 благодаря тому, что поток смеси после входа через впускной клапан закручивается, сжимается вихреобразным движением и в ходе сжатия наиболее богатая его часть концентрируется у свечи зажигания.
Для воспламенения обедненных смесей необходимы особо надежные и мощные системы зажигания. Применяют, в частности, установку двух свечей на один цилиндр, специальные свечи с более продолжительным и мощным разрядом.
Фирмой «Бош» (ФРГ) разработана принципиально новая конструкция свечи зажигания со встроенной вихревой камерой. Принцип работы ее заключается в том, что в самой свече имеется небольшая полость - камера, в которой поджигается специально подготовленная часть поступившего в цилиндр заряда. Имеющиеся в корпусе свечи четыре тангенциальных канала обеспечивают интенсивную турбу-лизацию этой части заряда и отбрасывают (благодаря действию центробежных сил) наиболее обогащенный ее слой к электродам свечи. После воспламенения через те же тангенциальные и центральный осевой каналы из камеры свечи в цилиндр выбрасываются широкие факелы пламени, охватывающие сразу большой объем основного заряда.
Дальнейшие поиски новых путей совершенствования рабочих процессов привели к созданию двигателей с послойным распределением заряда (иногда применяется термин «ДВС с расслоенным зарядом»). Такие двигатели могут работать на низкооктановых сортах бензина, по экономическим показателям сравнимы с дизелями, имеют малотоксичный выброс; их можно изготовлять на базе выпускаемых моделей.
Наибольшего прогресса в этом направлении добились фирмы «Форд » (США), создавшая двигатель «PROCO» (от слов Programmed Combustion - программированное сгорание), и «Хонда» (Япония).
Двигатель «ПРОКО» со степенью сжатия 11 отличается тем, что в нем применена система непосредственного впрыска бензина в камеру сгорания при помощи форсунки. Топливо подается специальным насосом. Карбюратора нет. Воздух поступает отдельно и непосредственно в цилиндр через впускной коллектор, на входе которого имеется дроссельная заслонка, и впускные клапаны. Как качественный (по α) состав, так и количество образующейся в цилиндре смеси регулируются автоматически (в зависимости от нагрузки и положения педали газа). Всей работой систем питания и зажигания (с установкой двух свечей на каждый цилиндр) управляет электронный блок по специальной программе.
Благодаря специальной форме поршня с камерой в днище и впускному каналу, турбулизирующим поток, обеспечиваются хорошее смесеобразование, послойное распределение смеси и полное ее сгорание. Недостатком конструкции является сложность применяемого оборудования двигателя и особенно форсунок, требующих исключительной точности изготовления.
Система «КВКК» (CVCC - Compound Vortex Controlled Combustion - регулируемый вихревой процесс сгорания) уже применяется на серийных двигателях «Хонда».
Важнейшая особенность этого исключительно интересного двигателя «Хонда КВКК», конструкция которого защищена более чем 230 патентами, заключается в том, что на нем применено так называемое форкамерно-факельное зажигание . По существу это единственный серийный бензиновый двигатель, работающий по принципу действия, обычному для дизелей.
Камера сгорания разделена на две части, основную (89% общего объема) и малую (11%) - собственно форкамеру или предкамеру, в которой установлена свеча зажигания. В предкамере, интенсивно подогреваемой отработавшими газами, происходит разогрев и воспламенение «запального заряда» - специально подготовленной обогащенной части топливо-воздушной смеси. При этом уже знакомая нам идея «расслоения» - разделения смеси на обогащенную и обедненную приобрела в конструкции «КВКК» совершенно иной вид. Обогащенная «запальная» часть заряда не выделяется в цилиндре двигателя, а с самого начала готовится отдельно . Смесеобразование происходит в специальном трехкамерном карбюраторе, одна малая камера которого питает богатой смесью предкамеру, а две большие - обеспечивают обедненной смесью основные КС цилиндров.
В настоящее время так называемый процесс «КВКК» получил широкую известность. За более чем 25-летний период работы по его совершенствованию двигатели прошли ряд модернизаций, позволивших при бензине с тем же октановым числом увеличить степень сжатия с 9 до 11 и снизить удельный расход на 7%. Среднее значение α=1,3, что соответствует пределу эффективного обеднения рабочей смеси.
Регулирование степени сжатия и фаз газораспределения
В последнее время определилось еще одно интересное направление работ по повышению эксплуатационных характеристик ДВС.Теоретически давно известно, что постоянные степень сжатия и фазы газораспределения, выбранные для какого-то одного (номинального) режима работы, при изменении нагрузки оказываются не оптимальными. Теперь стала реальной возможность регулирования в процессе эксплуатации двигателя как степени сжатия - по этому направлению идет фирма «Фольксвагенверк АГ», так и фаз газораспределения - эту работу проводит «Форд Эйроп».
Ожидается, что ДВС «Фольксваген» с переменной степенью сжатия будет иметь повышенный термический КПД особенно при частичных нагрузках. Экономичность его на частичных нагрузках на 12% выше, чем у обычного двигателя, благодаря тому, что существенное повышение степени сжатия делает возможным работу на очень бедных смесях.
Объем камеры сгорания изменяется при помощи дополнительного «поршня», внутри которого находится свеча зажигания При полной нагрузке вспомогательный «поршень» находится в крайнем верхнем положении и степень сжатия равна 9,5. При работе на уменьшенных нагрузках «поршень» опускается, объем камеры сгорания уменьшается, а степень сжатия соответственно повышается вплоть до 15,0. Система зажигания ДВС управляется компьютером.
В конструкции большинства обычных серийных ДВС применяется один распределительный вал для привода и впускных, и выпускных клапанов. При этом возможность раздельного регулирования фаз газораспределения по скоростному либо по нагрузочному режимам, как это делается с углом опережения зажигания и подачей топлива, исключена.
Поэтому до сих пор конструкторы были вынуждены принимать какие-то компромиссные решения между удовлетворительными показателями для верхнего и для нижнего пределов скоростного либо нагрузочного диапазонов.
Специалисты «Форд Эйроп» решили проблему, применив два отдельных распределительных вала (один для привода впускных, другой - для выпускных клапанов), причем они могут поворачиваться один относительно другого во время работы двигателя. Валами управляет электронная система «Форд ЕКК-IV», запрограммированная на оптимальные фазы газораспределения для любых нагрузочных режимов.
Механизм регулирования величины перекрытия клапанов состоит из центральной косозубой шестерни, приводимой через промежуточный вал от коленчатого вала, и двух косозубых шестерен, которые могут перемещаться по шлицам вдоль осей распределительных валов. Такое осевое перемещение вызывает изменение их углового положения относительно друг друга и коленчатого вала. Осевое перемещение обеспечивается при помощи зубчатых муфт и зубчатого колеса с приводом от электродвигателя. Полное изменение величины перекрытия клапанов от 10 до 90° происходит всего за 0,25 с.
Эксперименты, проведенные фирмой, показали, что возможность изменения при работе ДВС величины перекрытия клапанов дает экономию топлива на двигателях средней мощности до 5%, а на двигателях большой мощности - до 10%. Кроме того удалось уменьшить минимальное число оборотов устойчивого холостого хода до 500 об/мин, тогда как для обычных ДВС эта величина не ниже 800 об/мин. Это дает дополнительную экономию в процессе эксплуатации ДВС.
Увеличение числа клапанов
Последние годы отмечены появлением, главным образом на рынках Японии и Западной Европы, серийных двигателей с трех- и четырехклапанными головками цилиндров (на гоночных автомобилях такие головки, кстати сказать, применяются с 1912 г.). «Рекорды» ставят японские фирмы: «Ямаха» производит пятиклапанный (три впускных, два выпускных) четырехцилиндровый двигатель и разработала шести клапанный, а «Сузуки» подготовила выпуск восьмиклапанного.Чем же вызвано такое увеличение числа клапанов против обычного (один впускной и один выпускной)?
При работе на максимальном скоростном режиме - на предельной частоте вращения коленчатого вала - двигатель начинает «задыхаться» - цилиндр не успевает полностью наполняться топливо-воздушной смесью. Лимитирующим звеном тракта становится проходное сечение впускного клапана. Увеличению диаметра этого клапана и его хода при малых габаритах камеры сгорания препятствуют конструктивные сложности. Единственным действенным способом является увеличение количества клапанов .
Применению и распространению этого способа долго мешали чисто экономические соображения. Поскольку количество деталей механизма газораспределения возрастало в несколько раз, соответственно увеличивались трудоемкость регулировочных работ, масса двигателя и его стоимость. Успехи современной техники, позволившие уменьшить общие затраты на производство все более сложных ДВС за счет использования средств автоматизации, позволили реализовать давно известный способ. И тем не менее широкое применение наиболее сложных конструкций маловероятно. Сейчас нашли распространение лишь трехклапанные ДВС: за рубежом серийно выпускается 15 моделей таких двигателей.
Почему в массовых ДВС применили именно трех-, а не четырехклапанную схему? Ответ прост. Трехклапанная схема приводится от одного распределительного вала, а четырехклапанная требует установки уже двух распределительных валов.
Попутно отметим, что в многоклапанных двигателях важное значение приобретают различные системы автоматического регулирования параметров системы газораспределения. В частности, все чаще применяются устройства для автоматической компенсации величины зазоров, изменяющихся при нагреве клапанов во время работы ДВС. Имеются системы газораспределения с гидравлическими толкателями или с изменяемым свободным ходом в приводе клапана, приводящим к изменению рабочей высоты подъема клапана к, соответственно, регулирующим фазы газораспределения; известны системы автоматического отключения части цилиндров при малых нагрузках.
При проектировании современных ДВС многоклапанные схемы рассматриваются как важная конструктивная мера улучшения процесса сгорания, повышения антидетонационных свойств и снижения токсичности отработавших газов.
Широкая унификация, автоматизация проектирования и изготовления ДВС
Зарубежные специалисты считают, что не только в настоящее время, но и на перспективу до 2000-го гола основную часть выпускаемых ДВС будут составлять бензиновые двигатели малого рабочего объема. В связи с успешными работами по повышению экономичности таких двигателей наметился спад интереса к дизелизации парка легковых автомобилей. Удалось снизить среднее значение удельного расхода бензина с 312 до 245 г/кВт·ч, что соответствует повышению эффективного КПД с 28 до 35%.Во всем мире возрастает объем применения новейшей прогрессивной технологии, обеспечивающей гораздо более высокую, чем раньше, точность изготовления деталей. Внедряется принцип разработки «семейств» бензиновых ДВС с высокой степенью унификации деталей , уже продолжительное время используемый в дизелестроении. Примером, в частности, является создание фирмой «Фольксваген» серии ДВС с эффективной мощностью 29, 40 и 55 кВт, имеющей 220 унифицированных деталей, в том числе таких, как блок-картер с различными установочными элементами головок цилиндров.
Основным направлением в организации крупносерийного производства новых поколений ДВС считается внедрение автоматизированных поточных линий изготовления деталей и сборки двигателей.
Примером современного, рассчитанного на автоматизированное производство ДВС, может служить двигатель «Файр-1000», созданный совместно фирмами «Фиат» (Италия) и «Пежо» (Франция) с широким применением ЭВМ. Именно использование ЭВМ позволило значительно облегчить, упростить и усовершенствовать конструкцию двигателя, максимально учесть требования технологии с применением роботов. В процессе разработки «Файр-1000» было создано и испытано 120 опытных образцов, различных по конструкции, числу цилиндров, применяемым рабочим процессам.
Рабочий объем нового двигателя - 999 см 3 . Мощность - 33 кВт при частоте вращения коленчатого вала 5000 об/мин. Масса - 69,3 кг, что соответствует удельному показателю 2,1 кг/кВт. Массу двигателя удалось снизить благодаря уменьшению высоты блока цилиндров и толщины стенок с 6 до 4 мм, сужению межцилиндровых перемычек, существенному облегчению перегородок коренных подшипников. Рубашка охлаждения охватывает только верхнюю часть цилиндров. Оребрение блока отсутствует, а боковые стенки повторяют контур цилиндров, уменьшая объем охлаждающей жидкости. Масса блока цилиндров всего 18 кг. Известно, что его камера сгорания, имеющая плоско-овальную форму, даже не обрабатывается, так как применен автоматизированный процесс особо точного литья. Водяной насос, расположенный в приливе блока, и распределительный вал приводятся в движение зубчатым ремнем. Масляный насос с внутренним зацеплением шестерен расположен в блоке и приводится коленчатым валом. Распределитель бесконтактной транзисторной системы зажигания установлен в торце кулачкового вала.
При пробеге до 100 тыс. км двигатель не требует никакого технического обслуживания.
Заключение
По оценкам ведущих зарубежных специалистов в ближайшее время не ожидается широкого применения ДВС, принципиально новых по конструкции и принципу работы.Главными направлениями развития наиболее распространенных бензиновых ДВС малого и среднего рабочего объема на перспективу остаются дальнейшее повышение механического КПД и экономических показателей, снижение токсичности отработавших газов. Будет продолжаться поиск новых материалов и технологий, разработка систем наддува и новых рабочих процессов. Научно-исследовательские работы по всем этим направлениям выполняются со все более широким применением ЭВМ и программ, составляемых с использованием данных, полученных в экспериментах.
За последние 20 лет развитие бензиновых ДВС уже обеспечило среднее снижение удельного расхода топлива более чем на 20 % при одновременном удовлетворении ужесточающихся норм на токсичность выбросов. Найдены средства организации более эффективного малотоксичного процесса сгорания при повышенной степени сжатия и использовании обедненной топливо-воздушной смеси. Отдельные разработки внедрены в конструкциях серийных ДВС обычной схемы, а также в получающие распространение и лучше для этого приспособленные ДВС с трех- и четырехклапанными головками цилиндров.
Для расширения области качественного регулирования сгорания и снижения потерь на газообмен разработаны различные схемы отключения одного цилиндра (или групп цилиндров) для уменьшения рабочего объема на режимах частичных нагрузок. Та же идея реализуется в серийно выпускаемых ДВС с уменьшенным рабочим объемом и компенсацией мощностных показателей на полной нагрузке введением наддува.
На уровне экспериментальных исследований рассматриваются возможности регулирования степени сжатия и фаз газораспределения во время работы ДВС.
С целью упрощения технологии, снижения массы, уменьшения механических и тепловых нагрузок, уровня шума и вибраций продолжаются работы по использованию композиционных материалов на основе пластических масс. Существенное улучшение физико-химических свойств керамических материалов также позволило применить их в реальных конструкциях ДВС.
Примечания
1. Наддув производится для повышения давления и массовой плотности воздуха, подаваемого в цилиндры ДВС, при помощи компрессора - нагнетателя.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.
Добросовестно работают на благо человека. Совершенствование моторов происходит постоянно. То конструкторы борются за увеличение мощности, то снижают массу двигателя. На развитие моторостроения оказывают влияние такие факторы, как перепады цен на нефть и ужесточение экологических норм. Несмотря на все эти сложности, являются основным источником энергии для автомобилей.
В последнее время появилось много новых разработок, которые направлены на совершенствование традиционных моторов. Некоторые их них находятся уже на стадии внедрения, другие новинки имеются только в виде опытных образцов. Однако пройдет немного времени и часть этих инноваций будут реализованы в новых машинах.
Лазеры вместо свечей зажигания
Еще недавно лазеры считались фантастическими приборами, о которых обычные люди узнавали из фильмов о марсианах. Но уже сегодня имеются разработки, направленные на замену лазерными устройствами. Традиционные свечи имеют один недостаток. Они не дают мощной искры, которая способна поджечь топливную смесь с большим количеством воздуха и малой концентрацией топлива. Повышение мощности приводило к быстрому износу электродов. Очень перспективно выглядит применение лазеров для воспламенения обедненной топливной смеси. Среди преимуществ лазерных свеч следует отметить возможность регулировки мощности и угла зажигания. Это позволит сразу не только повысить мощность двигателя, но сделать процесс сгорания более эффективным. Первые керамические лазерные приборы разработали инженеры в Японии. Они имеют диаметр 9 мм, что подходит для целого ряда автомобильных моторов. Новинка не потребует существенной доработки силовых агрегатов.Инновационные роторные двигатели
В ближайшем будущем из могут пропасть поршни, распредвалы, клапаны. Ученые Мичиганского университета работают над созданием принципиально новой конструкции автомобильного мотора. Силовой агрегат будет получать энергию под действием взрывных волн, поддерживающих движение.
Одной из основных деталей новой установки является ротор, в корпусе которого имеются радиальные каналы. При быстром вращении ротора топливная смесь проходит по каналам и мгновенно заполняет свободные отсеки. Конструкция позволяет заблокировать выходные порты, и горючая смесь не вытекает во время сжатия. Так как топливо попадает в отсеки очень быстро, происходит образование ударной волны. Она проталкивает порцию топливной смеси в центр, где происходит воспламенение, а затем и выхлоп отработанных газов.
Благодаря такому оригинальному решению исследователям удалось сократить потребление топлива на 60%. Снизилась и масса мотора, что привело к созданию легкого автомобиля (400 кг). Достоинством нового мотора будет и малое количество трущихся деталей, поэтому ресурс двигателя должен увеличиться.
Разработка Scuderi
Сотрудники компании Scuderi подготовили свою версию двигателя будущего. Он имеет два типа поршневых цилиндров, что позволяет более эффективно использовать образующуюся энергию.
Уникальность разработки заключается в соединении двух цилиндров при помощи перепускного канала. В результате один из поршней создает компрессию, а во втором цилиндре происходит воспламенение топливной смеси и выброс газов.Такой способ позволяет использовать экономнее выработанную энергию. Компьютерные модели показывают, что расход топлива в двигателе Scuderi будет меньше на 50%, чем у традиционных ДВС.
Двигатель с тепловым разделением
Повысить КПД двигателя Scuderi удалось благодаря тепловому разделению мотора на 2 части. В обычном четырехтактном двигателе остается нерешенной одна проблема. Разные такты лучше работают в определенных температурных диапазонах. Поэтому ученые решили разделить двигатель на два отсека и поставить между ними радиатор. Работа мотора будет происходить по следующей схеме. В холодных цилиндрах будет происходить впуск топливной смеси и ее сжатие. Таким образом достигается максимальная эффективность в холодных условиях. Процесс сгорания и выхлоп газов происходит в горячих цилиндрах. Предположительно данная технология обеспечит экономию топлива в пределах 20%. Ученые планируют доработать данный вид мотора и добиться 50%-ной экономии.Мотор Skyactiv-G от Mazda
Японская компания Мазда всегда стремилась создавать инновационные двигатели. Например, некоторые серийные автомобили оснащаются роторными силовыми агрегатами. Теперь конструкторы автоконцерна основательно занялись экономией топлива. Уже в следующем году планируется выпустить автомобиль с двигателем Skyactiv-G. Он будет первой моделью из семейства Skyactiv.
На малолитражной версии Mazda2 будет устанавливаться спортивный двигатель Skyactiv-G объемом 1,3 л. Распределять крутящий момент будет вариаторная коробка передач. Силовая установка отличается высокой степенью сжатия, благодаря чему достигается экономия топлива в пределах 15%. Разработчики утверждают, что средний расход бензина составит около 3л/100 км.
Оппозитными моторами комплектовали свои машины разные автопроизводители. Данная конструкция не лишена изъянов, над которыми инженеры продолжают работать. Как известно, в оппозитном двигателе цилиндры расположены горизонтально, и поршни перемещаются в противоположных направлениях.
Конструкторы EcoMotors разместили в каждом цилиндре по два поршня, которые направлены друг к другу. Коленчатый вал находится между цилиндрами, а для перемещения поршней в одном цилиндре используются шатуны разной длины. Такое расположение поршневой группы позволило снизить вес двигателя, так как не требуются массивные головки блока цилиндров. Существенно меньше и ход поршней в оппозитном агрегате, чем в традиционном бензиновом моторе.
По мнению инженеров EcoMotors, автомобиль с двигателем OPOC должен потреблять около 2 л бензина на 100 км пути.
Силовой агрегат Pinnacle
Еще одна перспективная разработка сделана на базе оппозитного двигателя. В моторе Pinnacle два поршня двигаются навстречу друг другу, находясь в одном цилиндре. Между ними и происходит воспламенение топливной смеси. Двигатель имеет два коленчатых вала и одинаковой длины шатуны. Данная конструкция позволяет получить колоссальную экономию энергии при низкой себестоимости силового агрегата. Предполагается, что эффективность бензинового двигателя удастся увеличить на 50%.
По всей планете ученые ищут новые подходы к созданию мощных, экономных и экологичных моделей ДВС. Отдельные разработки выглядят достаточно перспективно, у других будущее не такое безоблачное. Однако только время рассудит, кто будет купаться во славе, а чьи разработки попадут на пыльные полки архива.