|
|
|
Двигатели внутреннего сгорания.
Ha протяжении последних десятилетий было отсеяно множество альтернатив традиционному типу двигателя. А потому четырехтактный ДВС с возвратно-поступательным движением поршней так и остался верен схеме своего создателя Николауса Августа Отто.
Девиз капитана Немо — Mobilis in Mobile, или «Подвижный в подвижном», вполне применим к двигателям внутреннего сгорания (ДВС), чья работа обеспечивает движение транспортных средств. Когда же мы говорим о современных двигателях, составным частям которых придают дополнительную подвижность, смысл этого девиза становится более глубоким — система в целом получает возможность гибко и точно реагировать на предъявляемые требования.
Вполне возможно, что историки будущего назовут XX век веком упущенных возможностей, поскольку в основном в этот период человечество жило за счет изобретений XIX столетия. Наиболее значительными из них стали двигатели — паровой, электрический и внутреннего сгорания. И даже ядерная силовая установка (инновация нашего времени) является, по сути, лишь паровой машиной, в которой угольная топка заменена реактором.
Если же рассуждать с философских позиций, то и здесь созидательной деятельности в XX веке получилось меньше, чем разрушительной. В качестве примера достаточно сравнить разрывной артиллерийский снаряд, самое эффективное оружие XIX века, с термоядерной бомбой.
На протяжении последних десятилетий эволюция безжалостно отсеяла множество альтернатив традиционному типу двигателя: он остался верен схеме, выкристаллизованной немцем Николаусом Августом Отто в конце XIX столетия. Немцы так и продолжают именовать его Otto Motor, хотя точнее было бы назвать «4-тактный ДВС с возвратно-поступательным движением поршней», имея в виду число перемещений поршня в рамках одного полного цикла.
Первый такт — впуск горючей смеси в цилиндр, при котором поршень опускается. Второй — сжатие смеси при движении поршня вверх. Третий — воспламенение смеси разрядом электрической свечи и движение поршня вниз под напором расширяющихся продуктов горения (так называемый рабочий ход). Четвертый — выталкивание отработавших газов в атмосферу поднимающимся поршнем.
Принципиальные детали такого мотора — блок и головка цилиндров, поршни, шатуны, коленчатый вал, газораспределительный механизм и другие — не меняют своего назначения десятилетиями. Означает ли это, что ДВС замер в своем развитии?
Без колебаний
Особенность классического ДВС такова, что поршни в его цилиндрах периодически останавливаются и вновь разгоняются. Например, в режиме максимальной мощности (5 000 об/мин) каждый из четырех поршней популярного вездехода ВАЗ-2121 «Нива» 10 тысяч раз в минуту разгоняется до скорости 21,5 м/сек и столько же раз полностью останавливается. Главный удар возникающих при этом сил и моментов принимает на себя кривошипно-шатунный механизм, а через него — блок цилиндров и картер двигателя. С ненужными вибрациями, доставляющими неудобства пассажирам и способными разрушить конструкцию мотора, борются посредством компенсации возникающих сил и моментов. Влияние на уровень вибраций двигателя оказывает расположение кривошипов коленчатого вала, число цилиндров и угол развала между их группами в V-и W-образных схемах, расстояние между соседними цилиндрами в группе. Наиболее уравновешенными являются рядные 6- и 8-цилиндровые, V-образный 12-цилиндровый и оппозитный 6-цилиндровый двигатели. Так, сбалансированность рядной «шестерки», на которой в 1911 году Генри Ройс применил гаситель крутильных колебаний коленчатого вала, позволила представителям компании Rolls-Royce использовать эффектный рекламный ход — на радиатор заведенного автомобиля они устанавливали ребром золотой соверен, и монета не падала.
Авторы моторов.
В истории автомобильных двигателей немало громких имен, но Отто, Дизель и Ванкель признаются наиболее значимыми.
В 1893 году Рудольф Дизель изобрел мотор, способный работать на более тяжелых (и дешевых) фракциях перегонки и крекинга нефти. Если в моторе Отто смесь поджигается электрическим разрядом, то в дизеле — от сжатия ее поршнем, иными словами, самовоспламенением. Топливо для такого мотора, солярку, немцы называют Diesel. А топливо для обычного мотора — Benzin. Существует версия, что и название «бензин» происходит от фамилии изобретателя одного из первых самодвижущихся экипажей (1886 год) немца Карла Бенца. В ту пору бензин приобретали в аптеках, поскольку он являлся антисептическим средством.
Феликс Ванкель запатентовал роторно-поршневой тип двигателя в 1934 году. В его корпусе овальной формы движутся не поршни на шатунах, а треугольный, с выпуклыми сторонами ротор. Он описывает внутри корпуса кривую, называемую эпитрохоидой, при этом его вершины, плотно прилегая к стенкам корпуса, образуют 3 отдельные камеры сгорания. В каждой из них последовательно происходит обычный 4-тактный цикл. Из-за отсутствия возвратно-поступательного движения такой мотор почти не вибрирует, а его рабочие обороты значительно выше, чем у поршневого ДВС.
Единственная фирма, выпускающая автомобили с «ванкелем», — японская Mazda. Она довела конструкцию мотора Renesis до совершенства и в награду за упорство в 2003 году удостоилась Гран-при конкурса «Двигатель года». Присвоено оно двухсекционному, то есть с двумя роторами в отдельных корпусах, мотору. К каждому подведено по два впускных и по два выпускных трубопровода. Роторы обслуживают в общей сложности шесть форсунок — четыре во впускных трубопроводах и две непосредственного впрыска. При крошечном рабочем объеме 2x0,654 л двигатель развивает огромную мощность в 250 л. с. при 8 500 об/мин и имеет максимальный крутящий момент 216 Нм при 5 500 об/мин.
Схема работы роторно-поршневого двигателя
 |
 |
1. Впуск. Одной из граней ротор затягивает топливно-воздушную смесь в камеру двигателя |
2. Сжатие. Проталкивая смесь по направлению к свечам зажигания, ротор сжимает ее |
 |
 |
3. Рабочий ход. После воспламенения смеси расширяющиеся газы вращают ротор вокруг эксцентрика, совершая полезную работу |
4. Выпуск. Как только одна из вершин ротора открывает выпускное окно, отработавшие газы удаляются в атмосферу |
Чьи "лошади"?
«Скотину в Америке и Европе в старину кормили по-разному» — это приходит на ум, когда узнаешь, что HP, то есть horse power, вовсе не равна PS, то есть Pferdestarke, или, скажем, CV (cheval vapeur). И то, и другое, и третье переводятся как лошадиная сила. Зародилась эта величина в шахтах Великобритании и оценивала работу лошади за единицу времени: перемещение груза в 200 фунтов на 165 футов за минуту. Измерение мощности в «лошадях» — скорее дань традиции, поскольку существует общепринятая метрическая величина — киловатт (кВт). Один киловатт мощности равен 1,35962 л. с., но тот же киловатт равен 1,34102 американо-британской лошадиной силы HP. Более того, сегодня действуют шесть стандартов измерения мощности автомобильного двигателя. В США организация Society of Automotive Engineers (SAE) рекомендует измерять мощность двигателя без учета ее затрат на привод генератора, потерь в системе выпуска отработавших газов и прочих затрат, связанных с функционированием навесного оборудования.
Второй важный показатель работы двигателя — крутящий момент, характеризует его способности по части вращения колес. В метрической системе крутящий момент измеряется в Ньютонах, умноженных на метр. Оба показателя — и мощность, и крутящий момент — приводятся в сочетании с числом оборотов коленчатого вала двигателя в минуту, при котором они достигаются.
 |
Модульный мотор.
То или иное
расположение цилиндров применяют, чтобы получить максимальную
отдачу с каждой единицы площади, занимаемой мотором под
капотом. Еще в начале 1980-х годов фирма Volkswagen создала
так называемые V-образно-рядные двигатели VR6 и VR5 —
компактные агрегаты с увеличенным числом цилиндров. Небольшой,
15°, развал между рядами цилиндров (обычно угол составляет 60
или 90°) позволил применить для них общую головку. Затем на
основе этих разработок была спроектирована серия модульных
W-образных двигателей, объединяющих под углом в 72° две
цилиндро-поршневые группы от моторов
VR-типа. |
Блоки цилиндров для «модульных» моторов Volkswagen, изготовленные компанией Kolbenschmidt Pierburg |
Проблема заключалась в том, что на коленчатом валу примерно той же длины в этом случае размещалось вдвое больше шатунов, чем в VR-двигателе. Поэтому их пришлось делать тоньше. Шатун подвергается в двигателе наибольшим нагрузкам сжимающего, растягивающего и изгибающего вида, и слишком тонкие шатуны на повышенных оборотах начинают «поигрывать». В двигателе W16 колоссальной мощности в 1001 л.с. для спортивного Bugatti ЕВ16/4 Veyron влияние инерционных моментов на шатуны сократили, увеличив развал между двумя VR-rpyппaми до 90° и снизив скорость поршня до 17,2 м/с. Размеры двигателя при этом выросли, но все равно остались завидно малыми для агрегата с такими показателями: его длина 710, а ширина 767 мм.
 |
Фазовращатели.
В быстроходных
современных двигателях выпускные клапаны начинают открываться
для отвода отработавших газов, когда те еще способны на
полезную работу. И не успевает поршень вытолкнуть остатки
продуктов сгорания из цилиндра, как открываются впускные
клапаны. При этом часть отработавших газов смешивается с новой
порцией топливовоздушной смеси, что ухудшает ее качество.
Нежелательное на первый взгляд явление, называемое перекрытием
фаз, оказывается, можно обратить во
благо. |
|
Если оставить впускные клапаны открытыми подольше, в камеру сгорания попадет больше смеси. Это обеспечит более ровную, устойчивую работу двигателя на малых оборотах коленчатого вала, а при высокой частоте вращения улучшит его тяговые возможности.
Задержка закрытия выпускных клапанов позволит на такте впуска завлечь обратно в цилиндр некое количество отработавших газов, чтобы вновь пустить их в дело, что окажет благоприятное влияние на показатели токсичности выхлопа.
Итак, да здравствуют приспособления, изменяющие режим работы впускных и выпускных клапанов и увеличивающие длительность их открывания!
Принцип действия таких «фазовращателей» состоит в дополнительном проворачивании распределительного вала вокруг его оси на несколько градусов. У компании BMW подобное устройство называется (в зависимости оттого, на одном или двух валах установлено) Vanos или Double Vanos. В 2001 году фирма внедрила еще более совершенное устройство — Valvetronic, продлевающее фазу открытия впускных клапанов за счет изменения плеча коромысел. Оно настолько улучшило газообмен, что позволило отказаться от анахронизма карбюраторной эпохи — дроссельной заслонки во впускном канале двигателя, регулирующей объем поступающего в цилиндр воздуха. Мотор с Valvetronic в среднем на 10% экономичнее своего «заслоночного» аналога и быстрее откликается на нажатие педали газа.
 |
Система VarioCAM Plus двигателя Porsche
1. Зубчатое колесо для привода цепью от коленчатого вала
2. Муфта переключения фаз
3. Гидравлический толкатель клапана
4. Кулачок распределительного вала, изменяющий высоту подъема
5. Изменения хода клапанов |
 |
Оппозитный 6-цилиндровый двигатель Porsche Boxter
1. Дроссельная заслонка на впуске
2. Опора коленчатого вала («постель»)
3. Цепь привода газораспределительного механизма
4. Распределительные кулачковые валы
5. Индивидуальные катушки зажигания на каждый цилиндр
6. Поршень с короткой юбкой
7. Кривошип коленчатого вала
8. Поликлиновыйремень привода навесного оборудования двигателя |
Улитка на впуске
Для получения наиболее оптимальных характеристик в широком диапазоне оборотов коленчатого вала современные двигатели оснащают также и впускными трубопроводами переменной длины. Отдаленно принцип действия такой системы напоминает печную трубу с заслонкой. Пока обороты коленчатого вала невелики, воздушный поток поступает через длинное колено, обеспечивая двигателю наилучшие тяговые возможности. На короткое колено переключаются при больших оборотах, и это увеличивает мощность. А компания BMW на моделях 735i/745i применяет и вовсе бесступенчатый регулятор впускного трубопровода, похожий на гигантскую улитку. Его длина варьируется от 231 до 673 мм. Цилиндрический воздухораспределитель способен менее чем за секунду повернуться в полости впускного трубопровода на 236°, изменяя тем самым его рабочую длину. С целью уменьшения массы двигателя впускные трубопроводы нередко изготавливают из полиамида.
Оптимальное соотношение воздуха и бензина — 14,5:1 называют стехиометрическим. Поэтому чтобы «затолкать и сжечь» в цилиндрах больше бензина за единицу времени, приходится увеличивать и весовое содержание воздуха. Для этого используют специальные нагнетатели, среди которых наибольшее распространение получили турбонаддувы. В них для разгона насосного колеса используется энергия отработавших газов, вращающих турбину. Работу этих устройств также стараются оптимизировать. Например, изменяя геометрию лопаток турбины, а также направляя излишек отработавших газов в обход лопаток. Турбокомпрессору, как и другим деталям двигателя, тоже свойственна инерционность, ухудшающая характеристики двигателя «в низах» (то есть при малых оборотах). Явление получило название «турбояма». Для раскрутки турбины компания Saab на модели 9-3 использует такой прием: независимо от перемещения педали «газа» в начале езды в двигатель поступает дополнительная порция смеси. Поток отработавших газов ненадолго увеличивается, и они быстрее раскручивают механизм нагнетателя.
 |
Разрез двигателя BMW V8
1. Регулируемый впускной трубопровод
2. Вращаемый воздухораспределитель
3. Уплотнительная мембрана U. Электромотор привода Valvetronic
5. Система DoubleVanos
6. Компрессор кондиционера
7. Термостат системы охлаждения
8. Водяной насос
9. Насос гидроусилителя и противокреновой системы шасси Dynamic Drive
10.Генератор с водяным охлаждением |
 |
Форсунка Bosch с соленоидным приводом
1. Канал высокого давления
2. Малая пружина
3. Большая пружина
4. Нажимной штифт
5. Сопла форсунки |
Газоденамические прцессы будущего
Каким парадоксальным это ни покажется, но и поджечь топливно-воздушную смесь в цилиндре отнюдь не просто. Она может потухнуть. По этой причине в зоне свечи зажигания стараются уменьшить турбулентность смеси. Возможно и обратное — смесь самостоятельно детонирует, хлестнув по стенкам камеры сгорания, клапанам и поршню волной давления с разрушающей силой. На скорость сгорания влияет целый ряд параметров: температура, напряжение зажигания, качественный состав смеси и прочее. Конструкторы всегда мечтали приспособить двигатель к работе на обедненной смеси. В некоторых моторах весовое соотношение воздуха и бензина достигает 20:1 и даже 25:1. Это стало возможным с появлением системы впрыска, в которой форсунки распыляют порцию бензина непосредственно в камеру сгорания. Технология подсмотрена у дизельного двигателя. Запатентовавшая ее первой компания Mitsubishi (так называемый процесс GDI) предлагает пользоваться режимом сверхбедной (до 40:1) смеси для экономичной и экологичной езды в городском режиме. Впрыск топлива происходит после того, как поршень уже начал движение к верхней мертвой точке, попутно закручивая сжимаемый в полости цилиндра воздух. Благодаря особому гребню на рабочей поверхности (называемой днищем) поршня центр этого маленького смерча фокусируется возле свечи зажигания. Туда впрыскивается порция топлива и производится электрический разряд. Еще своеобразнее процесс протекает, когда в цилиндр на такте впуска распыляют предварительную, «пилотную» порцию топлива. Она смешивается с воздухом в ничтожной пропорции 60:1, попутно снижая температуру в цилиндре. Это уменьшает вероятность детонации. Затем происходят впрыскивание основной порции топлива и его воспламенение. Система GDI на 10—15% экономичнее моторов, оборудованных впрыском обычного типа.
Дизели новой волны
Новые горизонты открывает дизелям устройство непосредственного впрыска с форсунками, отличающимися высоким быстродействием — до 0,1 миллисекунды — вчетверо меньшим, чем прежние механические. В узле, запирающем их сопла, используется открытый в 1880 году Жаном и Пьером Кюри пьезоэффект: деформация пьезокерамического элемента под действием электрического напряжения. Компьютерное управление позволяет за один рабочий цикл произвести несколько впрыскиваний топлива. Чтобы избежать жесткого процесса сгорания, в цилиндр производится так называемый «пилотный» впрыск (один или несколько), создающий среду, готовую принять основную порцию топлива. После воспламенения основной порции в разогретый цилиндр может быть произведена еще пара коротких впрыскиваний топлива, для улучшения состава отработавших газов. Датчики отслеживают содержание самой «проблемной» составляющей в выхлопе — оксидов азота, которые могут уничтожаться разными способами — от дожигания непосредственно в цилиндрах дизеля до применения в системе выпуска отработавших газов специальных катализаторов, превращающих продукты сгорания в азот и воду.
Единая для группы цилиндров топливная магистраль common rail позволяет держать наготове достаточный запас сжатого под высоким давлением (1 450—1 800 атм) топлива и оперативно выстреливать порции его через форсунки. Система иного рода, с индивидуальными насос-форсунками для каждого из цилиндров, обеспечивает еще более высокое давление впрыска
 Что такое Евронормы?
Оценка токсичности выхлопа производится по испытательным циклам, утвержденным Европейской экономической комиссией (ЕСЕ). 1 января 2005 года в Европе начнут действовать нормы токсичности Евро-IV. Напомним, что в нашей стране должны были вступить в силу нормы Евро-П, действовавшие в Европе с 1996 по 2000 год.
Чем опасна каждая из составляющих этой таблицы. Оксид углерода, или, попросту, угарный газ, — бесцветный газ без вкуса и запаха, в объемной концентрации в воздухе всего 0,3% приводит к смерти человека. Углеводороды являются окислителями, раздражающими слизистую оболочку, некоторые из них к тому же канцерогенны. Оксиды азота перенасыщают почву, окисляют ее, способствуют появлению озона вблизи поверхности дороги, раздражают слизистую оболочку глаз, а, окисляясь до NO 2 , превращаются в ядовитый газ.
Твердые частицы также являются канцерогенами, и если в бензиновых моторах их удается устранить полностью, то в дизелях, работающих на солярке, требуются дополнительные противосажевые фильтры.
Особо сегодня регламентируют еще один продукт сгорания топлива — углекислый газ СO 2, способствующий развитию парникового эффекта в атмосфере. Автомобильные компании готовы к 2008 году, когда вступят в силу нормы Евро-V, ограничить его выбросы 140 г/км, а к 2012 году довести этот показатель до 120 г/км.
Текст: Денис Орлов
вернутьcя в раздел
на главную страницу
|
|
|
|
