Перспективы развития двигателей внутреннего сгорания
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 1 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 Устройство для турбулизации заряда (squish-эффект)
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
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.
Источник статьи: http://www.barque.ru/shipbuilding/1987/prospects_internal_combustion_engines