Перспективы развития автомобильного двигателестроения (zip 1.6 Mb)

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.

Разработчикам современных двигателей приходится, подобно античным мореплава­телям, прокладывать курс между Сциллой конкурентных параметров и экологиче­ской Харибдой. Нынешний мотор должен быть, с одной стороны, технически совершенным: мощным, надежным, тяговитым, экономичным и при этом относительно не­дорогим. С другой стороны, ему необходи­мо соответствовать строгим экологиче­ским требованиям, которые ужесточаются не по дням, а по часам. Только три года назад вступили в силу требования Евро II, а ныне Евро III и уже маячат еще более строгие Евро IV. Они-то диктуют не вполне логичные, с точки зрения простого автомо­билиста, технические решения: новый двигатель иной раз оказывается сла­бее предшественника, обрастает не очень понятными, но весьма дорогими системами, которые не повышают, а порой и снижают его потребительские характеристики. Что поделаешь: конструкторы снова и снова идут на компромиссы – ка­кие уж тут рекордные параметры, когда во главу угла поставлены (законодательно!) экологические критерии - остаться хотя бы "при своих".

Итак, вперед, через воздушный фильтр! Впускные трубопроводы переменной длины, которые три года на­зад встречались как экзотика только на самых свежих моторах, стали привычным, если не банальным решением: их применя­ют на двигателях «Ауди», «Фольксваген», БМВ, «Опель» и даже «Дэу».

Двигатель автомобиля «Мерседес-Бенц- S500 » (Евро IV ) с регулируемым впускным трубопроводом, тремя клапанами на цилиндр, одним распределительным валом в головке, роликовыми толкателями и системой отключения четырёх из восьми цилиндров при работе с неполной нагрузкой: 4966 см³ ; 220 кВт/299 л.с.; 460 Н × м при 3000 об/мин.

Усложнение конструкции? Несомненно! С другой стороны, оптимизация крутящего момента: никаких «провалов» и «подхватов», двигатель тянет ровно во всем диапазоне оборотов.

Дизельный двигатель «Опель-ЭКОТЕК» с неразделённой камерой сгорания, четырёхклапанной схемой газораспределения, турбонаддувом, промежуточным охлаждением и балансирными валами.

Регулируемый турбокомпрессор двигателя БМВ с электрическим управлением (справа).

Рядный шестицилиндровый дизель БМВ (Евро III ) c четырёхклапанной схемой газораспределения, неразделённой камерой сгорания, системой впрыска «коммон рейл», роликовыми толкателями, регулируемым турбокомпрессором и промежуточным охлаждением воздуха (слева).

В системах подачи топлива –­ неболь­шая революция. Впервые серийные моторы с непосредственным впрыском бензина в цилиндр появились в Европе на «Мицубиси-Каризма» в 1998 году. В этом го­ду список таких моделей и фирм расширит­ся. Первым из европейцев в нем оказался «Вольво», следующим, по прогнозам, будет «Фольксваген». Считается, что именно дви­гатели с впрыском топлива в цилиндр (его и называют непосредственным) позволят до­стичь наилучших экономических и экологи­ческих характеристик. Правда, злые языки утвер-

Серийный бензиновый двигатель «Мицубиси-Каризма» с непосредственным впрыском (Евро III ): 1834 см ³ ; 92 кВт/125 л.с.; 174 Н × м при 3750 об/мин.

ждают, что мотор «Мицубиси – GDI » с трудом уложился в нормативы Евро III по выбросу окислов азота и совсем «не лезет» в пер­спективные Евро IV, но до введения последних еще немало времени. Зато по экономичности «Мицубиси-Каризма» с таким мотором уже сегодня вплотную приближается к дизель­ным машинам. В трансъев­ропейском пробеге через 12 стран автомобиль (за­метим, среднего класса) показал средний расход бензина 4,83 л/100 км при средней скорости 90,47 км/ч. Минимальный расход на одном из участков со­ставил 3,69 л/100 км!

…Нажимая на пе­даль газа, водитель меха­нически открывает дроссельную заслонку . Так было. Теперь появились автомобили («Мерседес-Бенц», «Ауди», «Шевроле»), на которых заслонкой управляет электронная система, а педаль превратилась в банальный потен­циометр, с помощью которого водитель высказывает свои пожелания мотору. И это еще цветочки – в недалеком будущем дроссельную заслонку, как досадную по­меху во впускном тракте, «отменят» вовсе, заменив регулировкой подъема впускных клапанов или (в отдаленной перспективе) их электрическим или электрогидравличе­ским приводом.

Устройство для регулировки фаз в механизме газораспределения из экзотики тоже превратилось в обыден­ность. Моторы «Ауди», БМВ, «Хонды», "Тойоты" уже немыслимы без него. А вот увле­чение многоклапанностью проходит. Головки с четырьмя и даже пятью клапанами на цилиндр оказались нужны далеко не всем моторам. Если от двигателя не требу­ется особо высокой литровой мощности, то вполне можно обойтись тремя («Мерседес-Бенц», «Хендэ», «Тойота») или даже двумя клапанами (БМВ, «Фольксваген», «Мерседес-Бенц», «Форд»). Наряду с ними тот же «Фольксваген» успешно применяет пяти­клапанные моторы, но повальная «мода на многоклапанность» прошла. Ведь помимо неоспоримых достоинств (высокое качест­во продувки и наполнения цилиндров), та­кая конструкция имеет и «обратную сторо­ну»" (сложность, проблемы с охлаждением головки, увеличенные потери на трение). Теперь, похоже, количество клапанов вы­бирают не по принципу «больше, чем у кон­курента», а руководствуясь реальной необ­ходимостью для конкретной модели двига­теля. Кстати, даже в многоклапанных головках все клапаны часто приводятся од­ним распределительным валом («Хонда», «Мерседес-Бенц», «Опель») для снижения потерь на трение. Ради этого и новинка из разряда «хорошо забытое старое» – роли­ковые толкатели клапанов.

А как развивались в последние три года дизельные двигатели ? Повсеместное распространение получили неразделенные камеры сгорания (непосредственный впрыск), многоклапанные головки цилиндров и турбонаддув. Причем все эти

Первый в мире легковой дизель с непосредственным впрыском «Фольксваген TDI ».

новше­ства можно увидеть собранными во­едино в одном моторе («Мерседес-Бенц», «Опель», БМВ, «Пежо»). Легко­вой дизель с «непосредственным» впрыском потребовал серьезной ре­визии приборов питания. Привычные топливный насос и форсунки сдают позиции новомодной системе «коммон рейл», где топли­во находится в общем ресивере под постоянным давлением, а доступ к форсункам ему открывают клапаны, управляемые электроникой («Мерсе­дес-Бенц», ФИАТ, БМВ, «Пежо», «Ситроен», «Рено»). Таким образом удает­ся реализовать слож­ные законы подачи топ­лива, необходимые двигателю с неразде­ленной камерой сгора­ния, снизить шум и ток­сичность, практически исключить дымление. Хотя аккумуляторная система впрыска, по идее, очень схожая с «коммон рейл», извест­на давно.

Но «коммон рейл» позволяет достичь мак­симум 135 МПа, тогда как топливные насосы высокого давления (ТНВД)-до175 МПа. А ведь чем выше давле­ние, тем большей тонко­сти распыла топлива можно добиться – во благо рабочему процес­су и, естественно, мощностным, экономиче­ским и экологическим показателям. Поэтому среди дизелистов на­шлись «отщепенцы», ко­торые не пошли по «об­щему пути» (именно так переводится «коммон рейл»). Концерн «Фольксваген» первым на­чал серийное производство легковых дизе­лей с насос-форсунками. С ними давление впрыска смогли увеличить до 205 МПа – и возможно, поднимут выше. Насос-форсунки, кроме всего прочего, поз­волят в перспективе реализовать впрыск с учетом особенностей работы каждого ци­линдра. Такой мотор приходит на смену весьма экономичному 1,9 TDI (81 кВт/110 л . с.), который не смог, однако, уложиться в нормы Евро III. Новый мотор еще мощнее и экономичнее: 85 кВт/115 л.с., его крутящий момент больше на 50 Н × м. Средний расход топлива у «Фольксвагена-Пассат 1,9 TDI » с таким двигателем 5,3 л/100 км – неплохо для большого и тяжелого автомобиля, спо­собного развивать скорость 200 км/ч.

Современные дизели оказались на­столько совершенными, что сумели завое­вать место даже под капотом автомоби­лей высшего класса. БМВ и «Ауди» уже вы­пускают такие машины с новейшими шес­тицилиндровыми турбодизелями. Их ско­ростные и динамические характеристики еще десяток лет назад «не снились» тог­дашним бензиновым моделям. В этом году на представительские машины немецких фирм установят «восьмерки» – с ними на­всегда исчезнет разница в динамике меж­ду бензиновыми и дизельными машинами, а почти двукратная разница в расходе то­плива останется.

Издавна привыкли, что дизель силь­но шумит – система «коммон рейл» снизи­ла уровень шума, а для большего ком­форта пассажиров легковые дизели ны­не помещают в капсулу из шумопоглощающих материалов. Кроме того, на неко­торых двигателях крышки всех коренных подшипников коленчатого вала выполне­ны как единая деталь, тем самым увели­чили жесткость нижней части блока – как результат, снизили шум и вибрацию.

Но и этого мало! Уравновешивающие валы в конструкции моторов не новость, но теперь их стали чаще применять на рядных «четверках» – до сих пор счита­лось, что здесь без них можно обойтись: не­уравновешенными си­лами инерции второго порядка попросту пре­небрегали.

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.

Прототип серийного четырёхцилиндрового дизельного двигателя «Тойота» рабочим объёмом

2 л с двумя верхними распределительными валами и турбокомпрессором.

Путь легковых дизельных двигателей к непосредственному впрыску (по-другому, дизели с неразделенной камерой сгорания) оказался отнюдь не простым. Сам по себе дизель с непосредственным впрыском дале­ко не новинка. Абсолютное большинство «больших» дизелей сделано именно так. Но процесс, легко достижимый в моторах с ма­ксимальной частотой вращения коленчато­го вала, не превышающей 2500 об/мин, крайне сложно организовать в достигаю­щих вдвое больших оборотов. И хотя конст­рукторы немало потрудились над этим, ре­зультаты пока оставляют желать лучшего.

Двигатели с неразделенной камерой сгорания действительно экономичнее своих предкамерных и вихрекамерных со­братьев примерно на 20%, но шума и виб­раций у них заметно больше. Для легко­вого автомобиля эти показатели могут оказаться более важными. Поэтому не случайно многие фирмы наряду со сверхэкономичными дизелями непосредствен­ного впрыска по-прежнему выпускают и предкамерные, и вихрекамерные. Только «Ауди» и «Ровер» (кроме «Ленд-Ровера») полностью перешли на моторы с неразде­ленной камерой сгорания. «Мерседес», от­давая им должное, продолжает совер­шенствовать предкамерные дизели с че­тырьмя клапанами на цилиндр. «Пежо» и «Рено» тоже не торопятся снимать с производства свои предкамерные. ФИАТ да­же выпускает новые, а БМВ попросту де­лает вид, что лучший легковой дизель всех времен и народов – их рядная вихрекамерная «шестерка» с турбонаддувом. Что это – здоровый консерватизм или техническое отставание?

Как же можно улучшить плавность, экономичность, эколо­гические показатели дизеля без потери мощности? Тем же способом, как в свое время это сделали на бензиновых моторах, когда карбюратор за­менила управляемая электроникой система впрыска топлива. Одна беда – создать элект­рически управляемую форсунку по образцу той, что использует­ся в бензиновых двигателях, сегодня технологически невозможно: дизельная фор­сунка установлена прямо в цилиндре, где температура газов достигает 2000°, а дав­ление в топливной системе может в сто и более раз превышать атмосферное. Сис­тема «коммон рейл» (Соттоп R а i 1), что в дословном переводе означает «общий путь», «общая магистраль», как раз и призвана решить эту задачу.

До сих пор роль управляющей элект­роники в легковых дизельных двигателях сводилась к управлению топливным насо­сом, давлением наддува, стартовой процедурой и регулированием холостого хода. Давление в системе практически постоянно, топливный насос высокого давления (ТНВД) варьирует лишь количество топли­ва, что подается в цилиндр за один ход, а бездумная форсунка открывается под дей­ствием ударной волны в топливе (жидкость практически несжимаема) и закрыва­ется под действием пружины.

В «коммон рейл» все обстоит иначе – можно непосредственно регулировать мо­мент впрыска, количество топлива и закон его подачи, даже давление в магистрали. Иными словами, всегда обеспечивать опти­мальные условия работы. Принципиальное отличие системы в том, что ТНВД подает топливо не в индивидуальные трубопроводы к форсункам, а в «общую магистраль», обо­рудованную датчиком давления и обратным клапаном, сливающим лишнее топливо в бак. Форсунки остались прежними, механи­ческими (ничего другого пока не придума­ли), но вот к каждой добавился пьезоэлект­рический клапан, открыванием и закрыванием которого управляет электронный блок. Он же управляет ТНВД, обеспечивая раз­личную подачу топлива и давление в «общей магистрали». Так, давление на холостом хо­ду минимально, что позволяет снизить шум работы форсунок


29-04-2015, 04:08