Войти
Проект-Технарь
Устройство авто.
Данный раздел посвещён вопросам устройства и экстплуатации авто
Здесь Вы сможете найти статьи по устройству, ремонту,
обсуживанию, также деталям и узлам авто.
Также можно найти классификацию нетрадиционных ДВС, их устройство и работу.
Наши контакты:
+7(903) 982 12 16, admin@studiplom.ru
Меню


Система скидок

Краткий обзор основных видов конструкций и тенденций развития бензиновых двигателей.

Из искры возгорится пламя...

Поэт даже и не подозревал, что в этих строках он очень точно описал принцип работы бензинового ДВС. Сам поэт и его идеи почти позабыты, а мотор живет и развивается, несмотря на то, что экологи пророчат скорую погибель всему, что питается нефтью. Чтобы сохранить ему жизнь, конструкторы и инженеры идут на невероятные ухищрения. 

Компоновка.
Первый двигатель был одноцилиндровым. Но как только число цилиндров достигло двух, сразу же возникли разные схемы их взаимного расположения: рядная, V-образная, оппозитная. К преимуществам первой относятся простота и технологичность. Поэтому если число цилиндров не превышает четырех, а объем 2,5 литров, конструкторы, не мудрствуя, располагают их в один ряд. Намного реже по такой схеме создаются пяти- и шестицилиндровые моторы. И хотя шестицилиндровый двигатель получается очень «длинным», он имеет уникальную особенность – идеальную уравновешенность. Вредные силы и моменты, возникающие в нем, взаимно компенсируются. 
А вот в такой же шестицилиндровый V-образный мотор для устранения вибраций устанавливают дополнительные балансирные валы и гидроопоры, через которые он крепится к двигателю. Зато весь силовой агрегат получается гораздо компактнее рядного собрата. Аналогично строится и V–образная «восьмерка». А вот самый «старший брат» в этой схеме 12-цилиндровый V-образный мотор обладает исключительной уравновешенностью. Секрет прост – он представляет собой комбинацию из двух рядных шестицилиндровых двигателей. 
Оппозитная схема расположения цилиндров в наше время скорее экзотика. Из явных ее преимуществ – низкий центр тяжести и хорошая уравновешенность (у шестицилиндрового мотора). «Оппозитники» традиционно выпускают только два производителя – «Порше» и «Субару». Приверженность этой схеме, по всей видимости, вызвана не столько техническими соображениями, сколько необходимостью больших затрат для замены технологического оборудования. 

Материалы.
Наиболее широко для изготовления блоков цилиндров сейчас используются алюминиевые сплавы. Они существенно легче чугуна, а также проще в изготовлении и обработке. Но чугун еще не списан со счетов технологами и конструкторами. Постоянная борьба за снижение веса (читай – расхода топлива) заставляет искать новые материалы. Среди наиболее перспективных – магний, композиты, пластик. Уже существуют практические конструкции с магниево-алюминиевым блоком цилиндров, магниевыми впускными коллекторами. А пластиковый впускной коллектор уже перешел в разряд обыденных. Большие надежды возлагаются на керамику. Керамические детали уже используются в парах трения, например, для изготовления направляющих втулок клапанов. Их микропористая структура хорошо удерживает смазку.

Наддув.
Двигатели первых автомобилей при невероятно больших по нынешним меркам объемах выдавали такую же невероятно маленькую мощность. За сотню лет мощность, снимаемая с единицы объема, выросла более чем в 10 раз. Достигнуть, казалось бы, невозможного - увеличить мощность при одновременном снижении объема, позволяет, прежде всего, наддув. 
Для подачи дополнительной порции воздуха в цилиндры под избыточным давлением используют два способа – с помощью механического нагнетателя или турбокомпрессора. Нагнетатель приводится в действие от коленвала двигателя. Поэтому его производительность прямо пропорциональна оборотам – мотор получает столь необходимый ему воздух с самых «низов». Недостатки – нагнетатель «съедает» часть мощности двигателя и недешев в производстве. 
Турбокомпрессор использует для нагнетания воздуха энергию выхлопных газов. На одном валу насажены две крыльчатки. Когда одну из них, установленную в выпускном трубопроводе, раскручивают газы, другая, стоящая на впуске, нагнетает воздух. Схема простая и сравнительно недорогая, но имеет недостатки. Энергии выхлопных газов хватает для создания достаточного давления наддува воздуха только при средних и высоких оборотах двигателя. Между нажатием на педаль акселератора и раскруткой турбины проходит некоторое время – дополнительный воздух в цилиндры подается с задержкой (это явление получило название «турбояма»). 
Для преодоления этих недостатков найдено несколько способов. Один из самых действенных – применение двух «турбин» разного размера. Маленькая, которая легче и быстрее раскручивается, работает на низких оборотах, а более крупная подключается на средних и больших. 
Второй способ – турбокомпрессор с изменяемой геометрией (Variable Nozzle Turbine). Специальные подвижные лопатки на низких оборотах направляют весь поток отработанных газов на лопасть «турбины», а при повышении оборотов отклоняют часть потока, предотвращая превышение давления наддува. 
На некоторые двигатели устанавливают так называемые переразмеренные турбонагнетатели. Они имеют очень высокую производительность, создавая необходимое давление наддува с низких оборотов. Когда же обороты повышаются и давление становится чрезмерным, срабатывает ограничительный клапан. 
Оригинальное решение применили инженеры BMW. На шестицилиндровом двигателе они установили два «легких» турбокомпрессора – по одному на каждые три цилиндра. Инерционность маленьких турбин незначительна, а для обслуживания трех цилиндров их мощности вполне достаточно. 
Но наиболее удачную схему разработали на Фольксвагене. Во многом благодаря ней в 2009 и в 2010 годах двигатель 1,4 TSI признавался лучшим двигателем года (International Engine of the Year). А в 2011 он завоевал звание лучшего в категории двигателей с объемом от 1 до 1,4 литра. Идея состоит в совместном использовании механического нагнетателя и турбокомпрессора. На низких оборотах эффективное давление создает нагнетатель, а турбина не используется. На средних оборотах, в диапазоне от 1000 до 2400 об/мин нагнетатель и турбокомпрессор работают совместно. При повышении частоты вращении коленвала свыше 3400 об/мин механический нагнетатель отключается, исключая тем самым бесполезную трату мощности двигателя, а необходимое давление создается только турбиной. В результате литровая мощность мотора составляет более 120 л.с.

Без наддува.
А какие усовершенствования предлагаются для атмосферных двигателей? Чтобы увеличить количество воздуха, поступающего в цилиндры, модернизируется газораспределительный механизм и система впуска. Так, системы Multiair от FIAT и Valvetronic от BMW за счет обеспечения плавного регулирования высоты подъема клапанов в зависимости от оборотов двигателя, позволяют отказаться от дроссельной заслонки на впуске. Тем самым достигается снижение потерь и повышается мощность двигателя. 
Обеспечить больший приток воздуха в цилиндры без применения наддува позволяют впускные коллекторы с изменяемой геометрией. Их действие основано на том явлении, что воздух на впуске движется не с равномерной скоростью, а волнообразно – в зависимости от открытия впускных клапанов. Поэтому, подбирая длину трубопровода, можно добиться того, чтобы очередная «волна» подходила к цилиндру как раз к моменту открытия клапана. Для этого при небольших оборотах длина впускной трубы должна быть максимальной, а при высоких оборотах – минимальной. 
Но этого конструкторам мало. Они считают распределительный вал пережитком прошлого. Поэтому перспективные разработки направлены на установку отдельного электромагнитного привода для каждого клапана. Это открывает широчайшие возможности для улучшения характеристик ДВС. 
Совершенствование подачи топлива – одно из главных направлений в снижении его расхода, а, следовательно, и количества выбросов вредных веществ. Общепризнанный путь здесь один – непосредственный впрыск. Это позволяет организовать работу двигателя на бедных смесях. Однако при этом возрастает количество окислов азота в выхлопных газах, что требует установки более сложных нейтрализаторов в системе выпуска.

В содружестве с электромотором (гибриды).
В 1997 году Тойота впервые в мире приступила к выпуску гибридных автомобилей, и вот уже 15 лет ДВС приходится трудиться в паре со своим конкурентом – электродвигателем. В тойотовской Hybrid Synergy Drive бензиновый мотор работает в непривычном для себя режиме - по циклу Аткинсона. От привычного цикла Отто он отличается тем, что впускной клапан закрывается значительно позже, в начале такта сжатия. При этом часть горючей смеси выталкивается обратно во впускной трубопровод. Что же в этом хорошего, спросите вы? Во-первых, вытолкнутая смесь забирает часть тепла из цилиндра, улучшая условия сгорания в нем. А во-вторых, попадая во впускной коллектор, она уменьшает разрежение в нем. Но главное преимущество в том, что из-за позднего окончания впуска такт сжатия, по сравнению с тактом расширения, уменьшается, а это позволяет более полно использовать энергию сжигаемой рабочей смеси. Тогда почему не использовать цикл Аткинсона на всех автомобилях? Дело в том, что в этом случае двигатель неустойчиво работает на малых оборотах и переходных режимах, а наиболее эффективно – на устоявшихся режимах. А именно так и организовано взаимодействие в гибридах – при стартах и ускорениях работает электродвигатель, а при постоянных скоростях – ДВС.

Вывод: Таким образом, возможности по созданию более легких, экономичных и экологичных ДВС еще далеко не исчерпаны.