Министерство топлива и энергетики РФ
Нефтеюганский индустриальный колледж
Р Е Ф Е Р А Т
По предмету: «Автомобили»
По III разделу «Теории автомобиля и двигателя»
На тему: «Перспективы в развитии
Автомобильного двигателестроения»
Выполнил: студент группы 4Т1 – 96 /Никифоров О.В./
Проверил: /Пасынков В.П./
Нефтеюганск 1999 год
Содержание:
| Какими должны быть современные двигатели внутреннего сгорания Система «коммон рейл» Насос-форсунка Пьезокерамический инжектор Стартер-генератор Восемнадцать цилиндров. Семьдесят два клапана. Пятьсот пятьдесят пять лошадиных сил И восемнадцать – не предел Двигатели Волжского автомобильного завода Пароль: экология Список использованной литературы | 2 8 11 13 14 16 18 19 23 24 |
Какими должны быть современные
Первый французский легковой дизель с непосредственным впрыском и «коммон рейл » (Евро III) .
Тех, кто не слишком любит проводить досуг в техцентре, порадует, что двигатели стали, по существу, необслуживаемыми – так велики интервалы между сменами масла. Их достигли благодаря применению современных конструкционных материалов и покрытий и, конечно, высококачественных масел.
Самый мощный из выпускаемых легковой дизель БМВ (Евро III ): система «коммон рейл», два регулируемых турбокомпрессора, промежуточное охлаждение, 3901 см 3 ; 170 кВт/ 230 л.с.; 500 Н × м при 1800 об/мин.
Пробег 25-40 тыс. км без замены масла становится реальностью, и даже дизельные моторы, традиционно более требовательные к смазке, переваливают 20-тысячный рубеж обслуживания. Так что при благоприятных условиях наведываться в сервис придется не часто.
Каковы дальнейшие перспективы? Двигатели с непосредственным впрыском, как дизельные, так и бензиновые, продолжат захват новых территорий. С дизельными моторами все более-менее ясно – предкамерные моторы сдают позиции, а вот двигателям с впрыском бензина в цилиндр потребуется еще доказать свою «состоятельность», чтобы потеснить под капотом привычные конструкции. Но активность ведущих фирм на этом направлении позволяет надеяться, что новое время не за горами.
Отечественная промышленность тоже сделала пусть запоздалый, но большой шаг вперед. Сейчас в России серийно выпускают два двигателя с четырехклапанными головками цилиндров, гидротолкателями клапанов и распределенным впрыском топлива: ЗМЗ-406 и ВАЗ-2112. Малыми сериями в Барнауле делают первый в стране легковой дизель для автомобилей ВАЗ. Правда, по конструкторским решениям он весьма архаичен. Зато в Нижнем Новгороде пытаются освоить производство, а пока собирают из импортных деталей дизельный двигатель «Штайр» очень оригинальной конструкции: с непосредственным впрыском, насос-форсунками и головкой цилиндров, выполненной заодно с блоком. Над легковым дизелем работает и заволжский завод. Так что движение есть, пусть и в глубоком арьергарде мировой техники.
А теперь подробнее рассмотрим некоторые новинки, заслуживающие большого внимания и наиболее перспективные разработки инженеров в области развития автомобильных двигателей внутреннего сгорания…
Система «коммон рейл».
Дизельному двигателю уже 100 лет, но именно в наше время развитие его конструкции пошло необычайно быстрыми темпами. Знаменитейшие фирмы представляют новинку за новинкой, сулят небывалые ранее результаты. Здесь речь пойдет о новой системе впрыска «коммон рейл», устанавливаемой на дизельные двигатели.
Нынешние дизельные двигатели гораздо совершеннее тех, что были 10-15 лет назад: большинство из них снабжены турбонаддувом с промежуточным охлаждением воздуха, а литровая мощность многих перевалила за 37 кВт/л (50 л.с./л). В конце 70-х это считалось совсем неплохим показателем для «атмосферных» бензиновых двигателей. Динамические качества автомобилей с такими дизелями, равно как и максимальная их скорость, вполне на высоте. Так что те, кто по-прежнему считает дизель маломощным, трясучим и вонючим, заблуждаются, особенно если учесть, что в начале этого десятилетия грянула новая революция в конструкции моторов с воспламенением от сжатия.
 |
Непосредственный впрыск топлива перевернул все существовавшие представления о возможностях дизельных двигателей и сделал реальной их прямо-таки невероятную экономичность в сочетании с отличной динамикой. Судите сами: большой, солидный «Ауди-А6» снаряженной массой около 1,5 т. с механической шестиступенчатой коробкой передач расходовал в среднем менее 7 л. дизельного топлива на 100 км, разгоняясь до 100 км/ч менее чем за 10 с. и развивая на автобане более 200 км/ч. При движении с умеренной скоростью его «аппетит» укладывался в 4 л/100 км. Совсем недавно такие показатели казались просто фантастическими.
Насос-форсунка.
То, что вылетает из выхлопной трубы дизельного мотора, напрямую зависит от того, что и как поступает в его цилиндры. Точнее говоря, давление впрыска имеет здесь решающее значение. Именно в этом немецкий концерн еще раз оставил конкурентов далеко позади.
 |
Популярная ныне схема «коммон рейл» создает давление поступающего топлива не более 1350 атм. Выше показатель у оптимизированного в каждой своей детали топливного насоса высокого давления (ТНВД) на БМВ-3200 D – 1750 атм. Новая же насос-форсунка от «Фольксвагена» развивает давление 2050 атм!
Новый трехцилиндровый дизель для «Фольксвагена-Лупо».
Как следует из самого названия, этот узел объединяет в одно целое насос и форсунку. Расположен он непосредственно около каждого цилиндра в головке двигателя. Усиленный кулачковый вал воздействует на поршень насосной части через рычаг, снабженный роликовым подшипником, что исключает трение скольжения.
Почему стремятся увеличивать давление впрыска? Чем оно больше, тем мельче частицы распыленной солярки, тем полнее их сгорание, поскольку необходимое количество кислорода достигает чуть ли не каждой молекулы топлива. А это позволяет окончательно решить проблему дымности выхлопа: новый трехцилиндровый дизель соответствует нормам D 3 и, может быть, уложится в требования будущих Евро IV. К тому же благодаря полному использованию энергии топлива расход его составит менее 3 л/100 км!
Но вернемся к насос-форсунке. Ее идея известна (и опробована) уже давным-давно – вспомним хотя бы мотор ЯАЗ-206. И все же насос-форсунки первого поколения были почти повсеместно вытеснены ТНВД и привычными нам «обычными» форсунками. Этот тандем прекрасно работает – но только не при давлении 2000 атм., когда сжимаются даже «несжимаемые» жидкости. Что уж говорить о трубопроводах: они превратились бы в сложно колеблющиеся упругие резервуары и точное управление моментом впрыска стало бы просто невозможным. Только из-за этого необходимо было свести к минимуму объем сжатого топлива. Другой немаловажный аспект: теперь и трубопроводы низкого давления спрятаны в головке цилиндров.
Тем не менее, без точно управляемого компьютером электромагнитного клапана почти все труды пропали бы даром, поскольку важно не только ввести нужное количество топлива в нужный момент – так же точно должен быть определен конец фазы впрыска.
Разрез головки блока цилиндров: 1 – кулачковый вал; 2 – рычаг с роликом; 3 – насос-форсунка.
Для мягкой и чистой работы новый двигатель использует предварительный («пилотный») впрыск небольшой (1-2 мм3) дозы горючего. Еще одна особенность: насос-форсунка закачивает топливо в зависимости от скорости вращения кулачкового вала, но при этом обладает всегда одним и тем же ничтожным запасом солярки.
Сочетая сверхвысокое давление впрыска с другими параметрами рабочего процесса дизеля, удалось уменьшить содержание окислов азота в выхлопе.
Ну и, наконец, новый мотор обеспечивает отличные ездовые характеристики. Так, трехцилиндровый дизель рабочим объемом 1,4 л развивает крутящий момент 195 Н × м уже при 2200 об/мин и, как было сказано, удовлетворяет жестким нормам токсичности D 3, обладая высокой экономичностью. Остается подождать ответа конкурентов.
Пьезокерамический инжектор.
Современные системы впрыска отличают быстродействие и давление. За них и идет постоянная борьба. Ведь топливо необходимо без задержки доставить в нужный цилиндр и при этом распылить его на мельчайшие частицы, чтобы обеспечить полное сгорание. С этой же целью в последнее время применяют и дополнительный «пилотный» впрыск 1-2 мм3 топлива, для чего требуется в течение нескольких миллисекунд выдать команду форсунке. И не только выдать – на то и быстродействующие мозги – но и исполнить с максимальной точностью.
Напомним, что системы «коммон рейл» работают при давлении около 1500 атм. и управляют началом и длительностью впрыска с помощью суперскоростных электромагнитных или комбинированных электрогидравлических клапанов. Впрочем, «супер» здесь означает задержки в пределах 0,5 мс., тогда как для гарантированного выполнения новых норм токсичности и дымности надо бы работать быстрее. Но электромагнит с подвижным сердечником уже исчерпал все, даже теоретические, возможности. И тут на помощь пришел концерн «Сименс», запатентовавший... пьезокерамический инжектор, который обещает настоящий прорыв в быстродействии. Он работает вчетверо быстрее прежних и был удостоен в 1999 году премии за «Инновационное применение материалов» Союза немецких инженеров.
В чем же суть изобретения? Известно, что при подаче электрического напряжения на пьезокерамическую пластинку она несколько изменяет свою толщину.
Стартер-генератор.
Трудно представить себе автомобиль без …стартера? Однако в этом нет ничего невозможного. Дочерняя фирма шинного концерна «Континенталь ИСАД Системс» в Кельне разработала принципиально новый узел, который так и называется – ИСАД (Интегрированный Стартер-Альтернатор (Генератор) – Демпфер). За этими сухими словами кроется настоящая революция в автомобилестроении.
Как и в обычных электромоторах, принцип работы нового устройства основан на силовом воздействии электромагнитного поля. Однако теперь ротором стартера-генератора служит сам маховик (конечно, без привычного зубчатого венца), вокруг которого размещены обмотки статора. Управляющая узлом электроника сама решает, в каком режиме - стартера или генератора - должен работать ИСАД в данный момент. Ременный привод генератора, никогда не отличавшийся надежностью и требовавший периодической регулировки, больше не нужен.
 |
Но не ради этой мелочи создавался ИСАД. Привычный стартер раскручивал коленчатый вал двигателя максимум до 150 об/мин. Новый механизм развивает 800 оборотов всего за 0,2 с! От такого рывка заведется даже самый «дохлый» мотор. При этом нет никаких тарахтящих звуков. Следовательно, появляется возможность автоматического выключения и пуска двигателя на любой остановке, например у светофора или в «пробках». Экономия топлива в городском цикле может составить до 35%! Теперь представьте, что у светофора собралась компания машин, оснащенных ИСАДом. Моторы молчат, значит, на улице тишина и не идет ядовитый газ из выхлопных труб, но едва зажигается «зеленый» – словно по мановению волшебной палочки, поток автомобилей приходит в движение. Причем достаточно резво: ведь «революционный» стартер может помочь при разгоне, добавив около 50 кВт(!) мощности, правда, всего на несколько секунд. Где взять энергию? Об этом позаботятся установленные на автомобиле конденсаторные накопители большой емкости. Далее: благодаря электронике неумелый водитель не заглушит нечаянно двигатель при троганьи с места, не дав достаточно «газа». Ему поможет сила электромагнитных полей.
Размещение узлов системы ИСАД: 1 – стартер-генератор; 2 – блок управления; 3 – аккумулятор;
Примерно так будет выглядеть новый 24-х цилиндровый бензиновый двигатель «Даймлер-Крайслер».
Во-вторых, он будет снабжен всеми мыслимыми, а возможно, и немыслимыми сегодня электронными системами навигации, связи, управления и т.п. Одних только антенн в кузове заложено… 20 штук! К тому же салон надо обогревать зимой и охлаждать летом. Все это, конечно, потребует немалых затрат энергии. Ну и на разгон кое-что останется. Кстати, уже запланирована и цена будущего флагмана – всего-то 250 000 долларов – цифра, в отличие от технических параметров, сегодня не поражающая воображение.
А все-таки жаль, что в современных двигателях привод клапанов выполнен с гидрокомпенсаторами зазоров. Только представьте себе: отрегулировать зазоры в 96 клапанах. Еще та была бы работа.
Двигатель ВАЗ-2112 в разрезе: 1 – коленчатый вал; 2 – шатун; 3 – плавающий поршневой палец; 4 – поршень; 5 – болт крепления головки; 6 – выпускной клапан; 7 – гидротолкатель; 8 – распределительный вал; 9 – ресивер; 10 – форсунка; 11 – впускная труба; 12 – впускной клапан.
Коленчатый вал 2112 отличается конструкцией противовесов, но хотя полностью взаимозаменяем с валом 21083, имеет новшество: на носке вала установлен демпфер крутильных колебаний.
Шатунно-поршневая группа оригинальная. Поршневой палец – плавающего типа. От осевых перемещений он фиксируется стопорными кольцами.
Форма днища поршня диктуется прежде всего шатровой камерой сгорания, традиционной для двигателей с четырьмя клапанами на цилиндр. Масляное охлаждение поршня призвано снизить его температуру. Масло под давлением подается на поршень снизу из специальной форсунки, установленной в блоке цилиндров.
Теперь о главном – новой головке блока цилиндров. Она создана в сотрудничестве с фирмой «Порше». Два распределительных вала приводятся зубчатым ремнем со специальным полукруглым профилем зубьев. Специальный кожух надежно защищает зубчатый ремень от попадания грязи и т.п. В приводе клапанов установлены гидротолкатели. Теперь не надо регулировать зазоры, к тому же упрощена технология сборки головки. Для двигателей «восьмого» семейства эта операция была автоматизирована. Теперь вообще не надо подбирать регулировочные шайбы – шестнадцать раз для одного двигателя! Использование гидротолкателей потребовало усовершенствовать смазочную систему двигателя, чтобы исключить возможность обратного слива масла и, как результат, потерю работоспособности гидротолкателей.
Следующая особенность – одна клапанная пружина вместо двух. У нового клапана уменьшен диаметр стержня, поэтому уменьшились его масса и инерционные нагрузки на пружину. Усилия единственной пружины достаточно, чтобы своевременно возвращать клапан на место.
Система распределенного впрыска топлива разработана совместно с фирмой «Дженерал моторс». Впрыск фазированный – момент подачи топлива синхронизирован с моментом открытия впускного клапана. Установка карбюратора на двигатель ВАЗ-2112 не предусмотрена: впускная труба под карбюратор даже не разрабатывалась.
Новый мотор потребовал новых, компактных свечей. Они устанавливаются в глубоких колодцах в головке блока цилиндров. Для привычных больших свечей колодцы пришлось бы делать шире, а это невозможно: головка скомпонована очень плотно. Такие свечи, как, кстати, и зубчатый ремень, выпускаются многими фирмами и продаются в России.
Для установки двигателя на автомобиль используется гидроопора сложной конструкции. Она позволяет ощутимо уменьшить вибрации, передаваемые двигателем на кузов автомобиля.
Двигатель ВАЗ-2112 еще не стал серийным, но уже идет работа по его дальнейшему совершенствованию. В первую очередь планируется оснастить его впускным трубопроводом переменной длины. На зарубежных моторах это уже не новинка, там их применяют все шире. Вкратце о том, в чем же достоинство этой системы.
В процессе работы двигателя воздух в трубопроводе совершает колебательные движения. Если подобрать нужную длину впускной трубы, можно добиться, чтобы в момент открытия впускного клапана к нему подходила очередная волна давления. Это позволяет улучшить наполнение цилиндра. Но двигатель – агрегат многорежимный, поэтому на разных оборотах требуется, строго говоря, различная длина впускной трубы. Плавная регулировка длины – задача технически трудновыполнимая. Но даже предложив воздуху два пути: длинный – в режиме максимального крутящего момента и короткий – в режиме максимальной мощности, можно значительно улучшить показатели мотора и, главное, избавиться от основного недостатка многоклапанных двигателей – достижения максимума крутящего момента при высоких оборотах коленчатого вала.
Те же цели преследует и другая перспективная разработка – система для изменения фаз газораспределения. Оборудованный ею мотор должен стать еще более тяговитым, лучше приспосабливаться к изменению нагрузки. Давай те же поговорим о таком двигателе…
Вспомним, как происходит впуск в обычном четырехтактном двигателе. Поршень, миновав верхнюю мертвую точку (ВМТ), движется вниз. Открывшийся несколько раньше впускной клапан пропускает смесь, и она постепенно заполняет цилиндр. Вот пройдена нижняя мертвая точка (НМТ), но клапан еще какое-то время открыт: на больших оборотах инерция потока топливно-воздушной смеси позволяет «дозаправить» цилиндр. Для получения высокой максимальной мощности – это благо, а вот крутящий момент на небольших оборотах неизбежно пострадает: если частота вращения коленчатого вала невелика, поршень успеет вытолкнуть часть смеси через впускной клапан. Избежать потерь можно, если раньше закрывать впускной клапан на малой скорости коленчатого вала.
Менять длительность фазы чересчур сложно, поэтому решено было смещать соответственно и момент открытия клапана. Линейная скорость поршня вблизи ВМТ относительно невелика, поэтому потери на газообмен практически не возрастут. Конечно, идеал – плавная регулировка фаз, а программа-минимум – это компромисс между сложностью и результативностью: два фиксированных положения вала, два режима работы впускных клапанов.
И тот и другой варианты реализованы на многих серийных двигателях за рубежом. Но если говорить об опытно-конструкторских работах, мы, в общем, не слишком-то отстали от Запада и Востока. Для перспективного двигателя ВАЗ-11193 уже адаптирован механизм регулирования фаз, разработанный московской фирмой АО «Терра». Мотор – дальнейшее развитие двухвального 16-клапанного ВАЗ-2112 – должен появиться на конвейере в 2004 году и, естественно, отвечать уровню техники XXI века. Отечественные конструкторы выбрали более дешевый вариант с двумя фиксированными положениями «впускного» распределительного вала – гидромеханическое поворотное устройство (на фото). Две пары поршней в корпусе механизма могут сдвигать вал на 20° вперед (впускные клапаны при этом открываются и закрываются раньше). По каналу внутри вала моторное масло подается к поршенькам, и они выталкиваются «наружу», увлекая за штифты фланец распределительного вала.
Обратите внимание на форму канавок – у соседних поршней они разные. У одних – сначала пологая (рабочая) часть, затем крутая (вспомогательная), у других – наоборот. Первые поворачивают распределительный вал на десять градусов и останавливаются – давления масла не хватает, чтобы преодолеть изгиб канавки. Вторые, миновав вспомогательную часть, уже вышли на рабочую позицию: они изменяют угол поворота еще на столько же. Потребовалось вернуть распределительный вал в начальное положение – работает сначала вторая пара, затем первая. Обойтись парой поршней не позволила теснота – весь механизм должен «поместиться» в звездочке!
Момент поворота зависит от частоты вращения коленчатого вала, нагрузки, детонации и рассчитывается электронным блоком (тем же, что командует и другими системами двигателя – впрыском, зажиганием). Компьютер управляет электромагнитным клапаном, который направляет поток масла по разным каналам. В зависимости от настройки управляющего блока возможны варианты. Первый порадует водителей увеличением «тяговитости» – крутящий момент на невысоких оборотах возрастает на 12-15%. Второй в какой-то мере успокоит «зеленых»: снизится содержание вредных выбросов в отработавших газах. В угоду экологии ВАЗ планирует сделать регулируемым не только впуск, но и выпуск. На режимах, где не требуется полная мощность, выпускной клапан полезно открывать и закрывать пораньше. Тогда часть отработавших газов останется в цилиндре и разбавит свежий заряд (внутренняя рециркуляция). По сравнению с впуском фазы потребуется сдвигать на меньший угол, следовательно, нужна только одна пара поршней – эта часть устройства будет проще и дешевле.
Механизм сдвига фаз может породниться и с другими тольяттинскими моторами, имеющими ременный привод и два распределительных вала (они управляют соответственно впускными и выпускными клапанами). Например, можно установить устройство на двигатель ВАЗ-2112, каким уже комплектуют «десятки», изменив головку блока (надо обеспечить подвод масла к механизму и «выделить» место под электромагнитный клапан).
Конструкция сейчас в стадии доводки, она выдержала длительные испытания на доработанном двигателе ВАЗ-2112 (к сожалению, ВАЗ-11193 существует пока только как макетный образец) и по их результатам была несколько изменена. Впереди очередные экзамены. Если они пройдут успешно, можно ожидать появления механизма сдвига фаз и на серийных двигателях раньше 2004-го.
Пароль: экология!
Американцы первыми почувствовали удушливость автомобильных выхлопных газов и их гнетущее влияние на окружающую среду. Еще в 1955 году Конгресс США принял акт о сохранении чистоты воздуха, а спустя десять лет – национальную программу по ограничению токсичности выхлопных газов автотранспорта.
Проблема обострялась и, подобно эпидемии, охватывала все новые страны. Уже в 70-е годы полицейские в центре Токио иногда пользовались кислородной маской.
Ныне действуют экологические программы Евро, которые с каждым годом устанавливают все более жесткие требования к выбросу двигателями вредных веществ в атмосферу. Для того, чтобы вписаться в рамки стандартов Евро необходимо при конструировании ДВС уделять большое внимание экологической части.
Главные виновники токсичности выхлопных газов - окислы углерода, углеводороды и окислы азота (СО, СН, N О x ). Современная система для снижения их выброса – каталитический нейтрализатор (его часто называют просто катализатором). Он связан с системой управления двигателем.
Нейтрализатор – это керамический блок с множеством продольных каналов, площадь отверстий которых 1 мм2 и толщина стенки 0,1- 0,5 мм. На внутреннюю поверхность этих сот-трубок напылен слой платины и родия, всего 3-5 г. Проходя вдоль ячеек катализатора, выхлопные газы при высокой температуре подвергаются нейтрализации и превращаются в безопасные двуокись углерода, водяной пар и азот. Катализаторы снижают токсичность выхлопа примерно на 90%, то есть позволяют при сохранении уровня загрязнения воздуха увеличить численность автотранспорта.
В 1999 модельном году концерн БМВ собирается вывести катализатор для 12-цилиндро- вого двигателя своего флагмана «750 i » на высочайший технический уровень (см. рисунок). При этом должны быть выполнены нормы Евро III и Евро IV, а заодно и жесткий калифорнийский стандарт. В первые секунды после пуска двигателя, пока катализатор еще не прогрелся до рабочей температуры, выхлопные газы вылетают сквозь него в трубу практически без очистки. А чем мощнее двигатель, тем больше размер и масса катализатора и тем дольше он будет прогреваться на холостом ходу. БМВ решила установить электрообогреваемый катализатор «Эмитек» (см. схему). Поскольку разогрев активной массы должен произойти в считанные секунды перед включением стартера, нагреватель потребляет огромной силы ток, отдаваемый... дополнительной сверхмощной аккумуляторной батареей! А она для своей зарядки потребовала установки мощного генератора с жидкостным охлаждением. Поскольку и этого оказалось недостаточно, перед новым катализатором предусмотрен дополнительный адсорбер из цеолита, способный накопить до 60% углеводородов и хранить их в течение 30 секунд. Когда выхлопные газы становятся достаточно горячими, цеолит отдает всю накопленную гадость уже вполне прогретому катализатору.
Список использованной литературы:
1. Журнал «За рулём» №2, 1997 год.
2. Журнал «За рулём» №7, 1997 год.
3. Журнал «За рулём» №8, 1997 год.
4. Журнал «За рулём» №9, 1998 год.
5. Журнал «За рулём» №12, 1998 год.
6. Журнал «За рулём» №1, 1999 год.
7. Журнал «За рулём» №2, 1999 год.
8. Журнал «За рулём» №3, 1999 год.
9. Журнал «За рулём» №8, 1999 год.
10. Журнал «Автомобили» №8, 1998 год.
11. Журнал «Авто ревю» №8, 1999 год.
12. Журнал «Клаксон» №5, 1999 год.
Министерство топлива и энергетики РФ
Нефтеюганский индустриальный колледж
Р Е Ф Е Р А Т
По предмету: «Автомобили»
по III разделу «Теории автомобиля и двигателя»
Дата: 2019-05-28, просмотров: 175.
