Двигатель серии СМД: характеристики, неисправности и тюнинг. Перспективы развития двигателей внутреннего сгорания Двигатели смд перспектива модернизации

Добросовестно работают на благо человека. Совершенствование моторов происходит постоянно. То конструкторы борются за увеличение мощности, то снижают массу двигателя. На развитие моторостроения оказывают влияние такие факторы, как перепады цен на нефть и ужесточение экологических норм. Несмотря на все эти сложности, являются основным источником энергии для автомобилей.

В последнее время появилось много новых разработок, которые направлены на совершенствование традиционных моторов. Некоторые их них находятся уже на стадии внедрения, другие новинки имеются только в виде опытных образцов. Однако пройдет немного времени и часть этих инноваций будут реализованы в новых машинах.

Лазеры вместо свечей зажигания

Инновационные роторные двигатели

Разработка Scuderi

Уникальность разработки заключается в соединении двух цилиндров при помощи перепускного канала. В результате один из поршней создает компрессию, а во втором цилиндре происходит воспламенение топливной смеси и выброс газов.

Двигатель с тепловым разделением

Мотор Skyactiv-G от Mazda

Силовой агрегат Pinnacle

Эра двигателей внутреннего сгорания (ДВС) еще далека от заката - такого мнения придерживается достаточно большое количество и специалистов, и простых автолюбителей. И для такого утверждения у них есть все основания. По большому счету, существует только две серьезных претензии к ДВС - прожорливость и вредный выхлоп. Запасы нефти не безграничны, а автомобили являются одними из основных ее потребителей. Выхлопные газы отравляют природу и людей и, накапливаясь в атмосфере, создают парниковый эффект. Парниковый эффект приводит к изменению климата и далее к другим экологическим бедам. Но не будем отвлекаться.С обоими недостатками конструкторы и инженеры за последние десятилетия научились весьма эффективно бороться, доказав, что у ДВС есть еще неиспользованные резервы для развития и совершенствования.

Существенное снижения расхода топлива было достигнуто благодаря внедрению в конструкцию ряда технических новшеств. Первым шагом стал переход от карбюраторных двигателей к впрысковым . Современные системы впрыска обеспечивают подачу топлива в цилиндры под высоким давлением, в результате чего происходит его тонкое распыление и хорошее смешивание с воздухом. В ходе такта сжатия топливо впрыскивается в камеру сгорания точно дозированными порциями до 5-7 раз. Использование наддува, увеличение числа клапанов, повышение степени сжатия также позволили более полно сжигать рабочую смесь. Оптимизация формы камеры сгорания, днища поршней, применение систем с регулируемыми фазами газораспределения способствовали улучшению процессов смесеобразования. В результате двигатель может работать на более бедных смесях, экономя топливо и снижая выброс вредных веществ.

Широко применяется в современных автомобилях система старт-стоп , дающая заметную экономию топлива в городском режиме движения. Эта система автоматически выключает двигатель при остановке автомобиля. Запуск производится при нажатии на педаль сцепления (в автомобилях с механической коробкой передач) или при отпускании педали тормоза (в автомобилях с автоматической коробкой).

Система рекуперации энергии торможения , впервые появившаяся на гибридных автомобилях, постепенно перекочевала и на обычные. Кинетическая энергия замедляющегося автомобиля, которая раньше растрачивалась на нагрев деталей тормозной системы, сейчас преобразуется в электрическую и используется для подзарядки аккумулятора. Расход топлива снижается до 3%.

Важным обстоятельством является то, что улучшение технических характеристик двигателей происходит при неуклонном снижении их объема . Например, фольксвагеновский мотор 1,4 TSI, признанный лучшим двигателем 2010 года, при объеме 1390 куб.см развивает мощность до 178 л.с. То есть, с каждого литра снимается 127 л.с.! Удельный расход топлива за прошедшие 20-30 лет был снижен почти в два раза. А раз снижается потребление топлива, соответственно снижается и выброс вредных веществ, да и запасы нефти можно растянуть на больший срок.

Очистка выхлопных газов

Все вышеперечисленные меры снижают вредные выбросы, так сказать косвенно, за счет улучшения технических характеристик. Но есть ряд систем, назначение которых – непосредственно уменьшать количество вредных веществ в выхлопных газах.

Прежде всего это, конечно же, каталитический нейтрализатор и система рециркуляции выхлопных газов EGR. В нейтрализаторе вредные вещества, содержащиеся в выхлопных газах, вступают в химическую реакцию с веществами, нанесенными на его соты. В результате реакции вредные вещества разлагаются на безвредные составляющие.

Система EGR (Exhaust Gas Recirculation) имеет более «узкую» направленность. Она предназначена для снижения содержания оксидов азота в выхлопных газах на режимах прогрева и резкого ускорения, когда двигатель работает на обогащенной смеси. Принцип работы системы состоит в перенаправлении части выхлопных газов обратно в цилиндры. Это вызывает снижение температуры горения и, соответственно, концентрации оксидов азота.

При работе двигателя не все выхлопные газы попадают в выпускную систему. Часть их прорывается в картер. Для предотвращения попадания в атмосферу используется система вентиляции картера . Пары бензина так же, как и выхлопные газы, содержат вредные для человека вещества. Поэтому на автомобилях устанавливается система поглощения паров бензина .

Все вышеперечисленные системы универсальны, то есть используются как на бензиновых моторах, так и на дизельных. Однако выхлопные газы дизеля отличаются повышенной концентрацией оксидов азота и сажи. Поэтому в выпускной системе дизелей дополнительно устанавливается сажевый фильтр . В некоторых конструкциях может использоваться система SCR (Selective catalytic reduction) или, в вольном русском переводе, впрыск мочевины. Принцип работы: водный раствор мочевины впрыскивается в выхлопную систему перед катализатором. В результате химической реакции почти половина высокотоксичных оксидов азота превращается в обычный безвредный азот.

К слову говоря, успехи в совершенствовании дизельных моторов впечатляют. Не будем далеко ходить за примерами. Взгляните на таблицу: в ней представлены победители двух самых престижных мировых наград World Green Car of the Year (Зеленый автомобиль года в мире) и Green Car of the Year (Зеленый автомобиль года).

Видите? В одном конкурсе четыре раза побеждали дизели, в другом – дважды.

Перспективы ДВС

Суммируя сказанное можно утверждать, что в ближайшие десятилетия мы будем сосуществовать с двигателями внутреннего сгорания. Для этого есть весомые технические и экономические причины. Отлаженность технологии производства ДВС обеспечивает их сравнительно низкую стоимость. Совершенствование рабочего процесса позволило получить высокие характеристики и снизить вредные выбросы.

Рост продаж «зеленых» автомобилей во многом стимулирован правительственной поддержкой. Как только государство свертывает программу скидок на экологичные автомобили, спрос на них стремительно падает.

Дизельный автомобиль потребляет до 25% меньше топлива и меньше загрязняет окружающую среду, зато бензиновый имеет меньшую стоимость, его страхование и эксплуатация обходятся дешевле. Однако если годовой пробег превышает 15000 километров, покупать дизель выгоднее.

Выбор подходящего типа двигателя зависит также от класса автомобиля. Современные бензиновые силовые агрегаты весьма эффективны в компактных автомобилях, а нынешние дизеля позволяют достигать низкого расхода топлива и дают удовольствие от вождения в больших универсалах. Бензиновые моторы обеспечивают завидную приемистость и динамику «горячим» спортивным автомобилям, а высокий крутящий момент дизелей как нельзя кстати подходит большим внедорожникам.

Мощность, которую может развить двигатель внутреннего сгорания, зависит от количества воздуха и смешанного с ним топлива, которое может быть подано в двигатель. Если нужно увеличить мощность двигателя, нужно увеличить как количество подаваемого воздуха, так и топлива. Подача большего количества топлива не даст эффекта до тех пор, пока не появится достаточное для его сгорания количество воздуха, иначе образуется избыток несгоревшего топлива, что приводит к перегреву двигателя, который к тому же при этом сильно дымит.

Увеличение мощности двигателя может быть достигнуто путем увеличения либо его рабочего объема, либо оборотов. Увеличение рабочего объема сразу же увеличивает вес, размеры двигателя и, в конечном итоге, его стоимость. Увеличение оборотов проблематично из-за возникающих при этом технических проблем, особенно в случае двигателя со значительным рабочим объемом.

Системы наддува, сжимающие воздух, подаваемый в камеру сгорания двигателя, и увеличивающие массу этого воздуха, позволяют повысить мощность двигателя при данных рабочем объеме и частоте вращения коленчатого вала.

Для двигателей внутреннего сгорания применяются компрессоры двух типов: с механическим приводом и турбокомпрессоры, использующие энергию отработавших газов. Кроме того, существуют также комбинированные системы, например, турбокомпаундная. В случае компрессора с механическим приводом необходимое давление воздуха получают благодаря механической связи между коленвалом двигателя и компрессором (муфта). В турбокомпрессоре давление воздуха получают благодаря вращению турбины потоком отработавших газов.

Турбокомпрессор был впервые сконструирован швейцарским инженером Бюши еще в 1905 году, но только много лет спустя он был доработан и использован на серийных двигателях с большим рабочим объемом.

В принципе, любой турбокомпрессор состоит из центробежного воздушного насоса и турбины, связанных при помощи жесткой оси между собой. Оба эти элемента вращаются в одном направлении и с одинаковой скоростью. Энергия потока отработавших газов, которая в обычных двигателях не используется, преобразуется здесь в крутящий момент, приводящий в действие компрессор. Выходящие из цилиндров двигателя отработавшие газы имеют высокую температуру и давление. Они разгоняются до большой скорости и вступают в контакт с лопатками турбины, которая и преобразует их кинетическую энергию в механическую энергию вращения (крутящий момент).

Это преобразование энергии сопровождается снижением температуры газов и их давления. Компрессор засасывает воздух через воздушный фильтр, сжимает его и подает в цилиндры двигателя. Количество топлива, которое можно смешать с воздухом, при этом можно увеличить, что позволяет двигателю развивать большую мощность. Кроме того, улучшается процесс сгорания, что позволяет увеличить характеристики двигателя в широком диапазоне чисел оборотов.

Между двигателем и турбокомпрессором существует связь только через поток отработавших газов. Частота вращения ротора турбокомпрессора не зависит от частоты вращения коленчатого вала двигателя, но она в значительной степени определяется балансом энергии, получаемой турбиной и отдаваемой компрессору.

Для двигателей, работающих в широком диапазоне оборотов (в легковом автомобиле), высокое давление наддува желательно даже на низких оборотах.

Именно поэтому будущее принадлежит турбокомпрессорам с регулируемым давлением. Небольшой диаметр современных турбин и специальные сечения газовых каналов способствуют уменьшению инерционности, т.е. турбина очень быстро разгоняется, и давление воздуха очень быстро достигает требуемого значения. Регулировочный клапан следит за тем, чтобы давление наддува не возрастало выше определенного значения, при превышении которого двигатель может быть поврежден.

Двигатель, оснащенный турбокомпрессором, обладает техническими и экономическими преимуществами по сравнению с атмосферным (безнаддувным) двигателем.

Основные преимущества турбокомпрессорного двигателя:

соотношение “масса/мощность” у двигателя с турбокомпрессором выше, чем у атмосферного двигателя;

двигатель с турбокомпрессором менее громоздок, чем атмосферный двигатель той же мощности;

кривая крутящего момента двигателя с турбокомпрессором может быть лучше адаптирована к специфическим условиям эксплуатации.

Кроме того, можно на базе атмосферных двигателей создавать версии, оснащенные турбокомпрессором и различающиеся по мощности.

Еще более ощутимы преимущества двигателя с турбокомпрессором на высоте. Атмосферный двигатель теряет мощность из-за разряжения воздуха, а турбокомпрессор, обеспечивая повышенную подачу воздуха, компенсирует снижение атмосферного давления, почти не ухудшая характеристики двигателя. Количество нагнетаемого воздуха станет лишь ненамного меньше, чем на более низкой высоте, то есть двигатель практически сохраняет свою мощность.

Кроме того:

двигатель с турбокомпрессором обеспечивает лучшее сгорание топлива, что приводит к меньшему расходу топлива;

поскольку турбокомпрессор улучшает сгорание, он также способствует уменьшению токсичности отработавших газов;

двигатель, оснащенный турбокомпрессором, работает более стабильно, чем его;

атмосферный аналог той же мощности, а будучи меньшим по размеру, он производит меньше шума. Кроме того, турбокомпрессор играет также роль своеобразного глушителя в системе выпуска.

Расширение производства материалов, обладающих высокими температурными характеристиками, улучшение качества моторных масел, применение жидкостного охлаждения корпуса турбокомпрессора, электронное управление регулирующими клапанами - все это способствовало тому, что турбокомпрессоры стали использоваться на мелкосерийных бензиновых двигателях.

В случае установки турбокомпрессора на бензиновый двигатель возникают специфические требования:

обеспечение герметичности масло-газовых каналов турбокомпрессора;

повышение качества материалов турбины;

усовершенствование регулировочного клапана;

охлаждение корпуса оси.

На нормально работающем двигателе, который своевременно и качественно обслуживается, турбокомпрессор может безотказно работать в течение долгих лет.

Появление неисправностей может быть следствием:

недостаточного количества масла;

попадания в турбокомпрессор посторонних предметов;

загрязненного масла.

2007 год Издание: Зеленоградский предприниматель

МОДЕРНИЗАЦИЯ КОНВЕРСИОННОЙ ТЕХНИКИ – ЭТО ВЫГОДНЫЙ БИЗНЕС В РУКАХ ПРОФЕССИОНАЛОВ

В 1999 году в Зеленограде была создана фирма «Батмастер», которая успешно работает до сегодняшнего дня. Основные направления деятельности – капитальный ремонт и реализация дорожной, землеройной, вездеходной техники, поставка после капремонта и модернизации дизельных двигателей, проектирование и изготовление поршней для бензиновых двигателей и дизелей методом изотермической и жидкой штамповки, поставка запасных частей, консультации по инженерной технике и другое.

С руководством фирмы – директором Олегом Анатольевичем Синюковым и руководителем проекта модернизации дизелей кандидатом технических наук Сергеем Валентиновичем Коротеевым мы сегодня и беседуем.

Олег Анатольевич. Я сейчас просматривала ваши прайс-листы, где представлен, так сказать, весь модельный ряд - дорожные, котлованные, землеройные и бурильные машины, экскаваторы и тяжелые гусеничные транспортеры. Впечатление, что это техника, которую мы видели на фотографиях в фильмах 60-х-70х годов . Это так?

О.С. Да эта техника действительно спроектирована в эти годы, но большая ее часть, предлагаемая нашим предприятием, имеет современную начинку. Речь идет об инженернойтехнике, которая производилась еще в Советском Союзе, и, в общем-то, вопросы ее модернизации перед тогдашним руководством соответствующих ведомств не стояли, ввиду того, что на смену старой техники приходила новая. Когда Советский Союз канул в лету, много конверсионной техники оказалось на рынке, и в том числе ее стали использовать в народном хозяйстве. Модернизацией этой техники мало кто занимался, в эту нишу мы и встали.

-Немного расскажите о предыстории создания фирмы?

О.С .Первое время после создания «Батмастера» в Зеленограде на первом месте стоял вопрос расширения портфеля заказов. Тот факт, что к этому моменту нами был накоплен опыт ремонта и сервисного обслуживания этой техники, имелись свои специалисты, здесь ровным счетом ничего не значил. Все новое встречают настороженно. Нужно было найти заказчиков, которым наши услуги по модернизации техники были бы востребованы. Пришлось провести довольно большую работу.

- Откуда взялось такое название - «Батмастер»?

О.С .БАТ- это аббревиатура большого артиллерийского тягача.

-А в чем заключается модернизация старой конверсионной техники?

О.С. Сердце машины - это мотор. От мотора очень многое зависит, есть много показателей, позволяющих определить, в каком состоянии находится мотор. Кроме того, в советское время о таких параметрах как экономичность, речь не шла. Топлива было много, масел самых разнообразных тоже. Техника должна была выйти в поле, выдержать бой, а что будет с ней дальше, мало кого интересовало.

А вот когда эта техника попала в народное хозяйство, перед ней были поставлены несколько иные задачи-вопросы экономичности, экологии вышли на первый план. Практически на всех этих машинах стояли 12-ти цилиндровые двигатели. И если раньше механик-водитель, выезжая на задание на объект, например, по расчистке снега, вынужден был возить с собой бочку масла, так как оно буквально вылетало в трубу, то теперь, после модернизации, потребление масла снизилось в несколько раз, расход топлива на 5-7%.

Но, чтобы заниматься модернизацией двигателей внутреннего сгорания на таком высоком уровне, нужны были специалисты довольно высокой квалификации?

О.С. Конечно. И один из таких специалистов сидит рядом с вами. Это Сергей Валентинович Коротеев, которого я позиционировал бы как лучшего специалиста по оптимизации цилиндро - поршневых групп ДВС в России. Лучше него этот вопрос не знает никто. Мы привлекли его к работе в 2000-м году, тогда была создана рабочая группа под его руководством, которая успешно
. Испытания были успешно проведены в научно-исследовательском центре по испытаниям и доводке на центральном полигоне в г. Дмитрове.

-Сергей Валентинович, как вы отнеслись к предложению фирмы «Батмастер» стать руководителем данного проекта?

С.К. К тому времени, как от фирмы «Батмастер» мне поступило деловое предложение о сотрудничестве, я уже знал их как группу специалистов, которая могла ставить серьезные задачи и доводить их до конкретной реализации.

Сам я до этого занимался проектированием цилиндро - поршневых групп двигателей для некоторых ведущих заводов страны. В своё время на заводе «Элион» я руководил подразделением, занимавшемся выпуском современных жидкоштампованных поршней для экологически чистых автомобилей. Но когда, по ряду причин эта программа, что называется, не пошла, я и получил приглашение от ПГ «Батмастер».

Так что я легко включился в работу.

-Ваше ноу-хау в чем?

С.К. Практически все двигатели, которые на сегодняшний день есть у нас в стране – это поршневые двигатели. Мы изготавливаем главную деталь – поршень по своей документации с применением современных технологий.

Техника, о которой мы ведем речь, на базе тягача АТТ (ДВС 12ч-15/18), была спроектирована в 50-х годах. На смену ей в начале 80-х пришла другая – на базе тягача МТТ, где был установлен дизель (12чн-15/18) новой конструкции. Эти машины оказались настолько удачными, что до сих пор успешно работают в народном хозяйстве. Чем хороша эта техника? Она проста в обслуживании, неприхотлива, надёжна. Но при этих достоинствах абсолютно не экономична. Мы как раз и работали над тем, чтобы сделать эти машины более экономичными.

Если вы представляете себе, как работает поршень, то поймете, что при возвратно-поступательном движении внутри двигателя происходят сложнейшие процессы. Вашим читателям наверняка будет интересно узнать, что поршень внутри работающего двигателя нагревается больше 300 градусов по Цельсию, на него действует давление более 100 атмосфер , десятки раз в секунду.

Метод жидкой или изотермической штамповки применяемый нами при производстве поршней является одним из прогрессивных технологических процессов, позволяющих получать плотные литые заготовки поршня с уменьшенным припуском на механическую обработку. Давление используется здесь как фактор эффективного воздействия на затвердевание и протекающие при этом процессы – усадку, газовыделение, ликвацию. Возникающие при воздействии давления сжимающие напряжения снижают склонность к трещинообразованию и улучшают физико-механические свойства заготовки (плотная, без раковин структура, высокая твердость). Большое содержание кремния в материале поршня обеспечивает повышенную износостойкость.

Мы применяем поршневые кольца, уровень качества которых значительно опережает требования стандарта ISO . Точность радиальной толщины кольца не превышает 0,02 мм . при норме 0,2-0,3 мм. Падение тангенциального усилия в заневоленном состоянии при температуре 300 ° C не превышает 5% при норме 8%. Для исключения задиров и прижогов и обеспечения быстрой приработки использован метод микрохонингования (маслокарманы) рабочей хромированной поверхности поршневых колец.

Применение этих новшеств позволило более чем в 2 раза уменьшить зазоры в сопряжении "поршень - гильза цилиндра". Малые зазоры и оптимальная конструкция поршня обеспечивают улучшение всех показателей работы двигателя. Повышается эффективность сгорания топлива, значительно снижаются механические потери на трение, расход масла и топлива, что существенно увеличивает КПД дизеля. Снижается токсичность отработавших газов и уровень шума, повышается мощность.

О.С . В данном случае, ситуация складывалась таким образом. От одного из наших клиентов треста СНДСР ОАО «Сургутнефтегаз», поступил заказ на путепрокладчика (применяемый для расчистки дорог от снега) – установить дизель другой марки. Заказчик был крайне неудовлетворен работой прежнего дизеля, как раз из-за его низкого ресурса и неэкономичности в ходе эксплуатации.

Мы рассмотрели модели российских и импортных двигателей. Оказалось, что ни один из новых дизелей установить без серьёзной переделки машины невозможно. В общем, мы пошли по пути, который оказался удачным, т.е. путем изменения материалов и конструкций изменили параметры двигателя в лучшую сторону. Что и было воплощено в жизнь.

За счет этого улучшились параметры работы двигателя, начиная от его экономичности, которая составляет 7% экономии на топливе и более чем в 5 раз экономии на масле, до улучшения экологических показателей.

Чтобы было понятнее, объясню на конкретном примере. Если вы обращали внимание, иногда встречаются такие машины, которые называют «Ураган». Когда такая машина идет по дороге, ее всю обволакивает облако дыма, шлейф этого дыма тянется за ней на несколько метров, от которого задыхаются водители и пассажиры других автомобилей, оказавшихся, к несчастью, рядом. Так вот, после процесса модернизации, экологические показатели такой машины улучшаются на несколько порядков, это, конечно, не евростандарт, но дизели практически перестают дымить.

-Вы позиционируете себя как фирма, применяющая наукоёмкие технологии. Приведете пример?

С.К. Мы используем разнообразные перспективные разработки по комплектующим деталям, причем аналогов некоторым разработкам нет на Западе. Немцы к нам приезжают, смотрят и удивляются. Например, в России разработан новый процесс скоростного хромирования поршневых колец, что позволяет повысить прочность хрома, сцепление его с поршневым кольцом, а это – дополнительный ресурс работы комплектующих деталей. Наши партнеры смежники выполнили эту работу для нас – по документации на новые поршневые кольца, разработанной в нашем конструкторском бюро.

-Мы с вами говорили о модернизации, но, судя по прайс-листу, вы еще занимаетесь и капитальным ремонтом?

О.С. В капитальный ремонт входит модернизация мотора и ремонт самой машины.

-Где это происходи? У вас есть своя база?

О.С . В Зеленограде у нас есть цех, где выполняются эти работы.

-А каков разброс цен? Насколько клиенту выгодно заниматься модернизацией техники?

С.К. Ресурс цилиндропоршневой группыстандартного дизеля В-401-800часов. «Наша» ЦПГ будет работать не меньше 8000 мото/часов, т.е. в 10 раз больше. Грузовики же могут работать еще дольше – до 15000 мото/часов. На старой технике такого ресурса нет. Это первый вопрос. Второй вопрос-экономичность. При подконтрольной эксплуатации в «Сургутнефтегазе», расход масла на угар, по их данным, снизился в 10 раз. Соответственно, уменьшились вредные выбросы в атмосферу и стоимость эксплуатации этих машин.

Чтобы создать фирму под подобный проект, нужно быть уверенным в том, что работы хватит на несколько лет. Сколько единиц инженерной техники находилось на территории России к тому времени, когда вы решили создать свою фирму?

О.С. На самом деле, техники довольно много, и не только в России, но и в странах СНГ, а также в странах, в свое время получавших ее от Советского Союза. Это Африка, Азия, часть стран Европы.

В настоящее время российским предприятиям приходится бороться с иностранными производителями на рынке модернизации техники, выпущенной в Советском Союзе. Насколько мне известно, иностранцы дают очень высокую оценку разработкам отечественной школы машиностроения.

Отдельные образцы техники позволяют выполнять большой комплекс мероприятий от землеройных работ до расчистки дорог от снега, а также вытаскивания застрявшей техники мощной лебедкой и грузоподъемных работ краном. И все это сконцентрировано в единый комплекс, способный самостоятельно передвигаться с достаточно большой скоростью.

У зарубежных производителей встречается техника, предназначенная для конкретных целей, но аналогичной советским машинам, с таким набором функций я не встречал.

-Кто ваши основные заказчики?

О.С. Это нефтегазодобывающие предприятия, которые более 30 лет эксплуатируют подобную машины, используя ее, в основном, для содержания дорог зимой, землеройных работ и наводки временных мостов. Среди наших партнеров «Сургутнефтегаз», «Лукойл», предприятия по ремонту и обслуживанию дорог, такие как «Северавтодор», «Сургутнефтедорстройремонт» и другие серьезные предприятия.

Кстати о специалистах. Сейчас повсеместно есть проблема с кадрами низшего и среднего звена? Где вы берете кадры?

О.С. Мы готовим у себя молодых специалистов, для этого у нас есть основной костяк, достаточно зрелые мастера. Мы принимаем на работу специалистов по тем или иным направлениям, часть из них обладает определенными познаниями в автомобильной сфере, и обучаем их на месте.

-Вы принимает участие в выставках, и если да, то в каких именно?

О.С. Мы участвуем в выставках. Вот перед вами диплом 2006 года -Международной выставки продукции военного назначения. Диплом мы также получили за участие в выставке «Автомобильные технологии и материалы» в Манеже, принимали участие в международной выставке 2003 года - «Автокомпоненты – новые технологии».

-И там у вас была возможность сравнить свои технологии и с другими. Какой вы сделали выводы?

О.С. Естьзаводы, которые просто ремонтируют различные типы дизелей, но что касается модернизации, то это настолько узкое направление работы, что на сегодняшний день конкурентов у нас нет. Во всяком случае, я о них не слышал.

И последний вопрос. Какие еще дополнительные, если так можно выразиться, направления вы собираетесь осваивать в ближайшем будущем?

О.С. В перспективе рассматриваем вопрос об изготовлении большего количества деталей и узлов для инженерной техники. Сейчас разрабатывается конструкторская документация и ведется поиск субподрядчиков имеющих возможности выполнить наши заказы на комплектующие. В этой нише мы будем стараться утвердиться в ближайшем будущем.

Л етом 2017 года научно-техническое сообщество облетела новость – молодой учёный из Екатеринбурга победил в общероссийском конкурсе инновационных проектов в области энергетики. Конкурс называется «Энергия прорыва», к участию допускаются учёные не старше 45 лет, и Леонид Плотников, доцент «Уральского федерального университета имени первого президента России Б.Н. Ельцина» (УрФУ), удостоился в нём приза в 1 000 000 рублей.

Сообщалось, что Леонид разработал четыре оригинальных технических решения и получил семь патентов для систем впуска и выпуска ДВС, как турбированных, так и атмосферных. В частности, доработка впускной системы турбомотора «по методу Плотникова» способна исключить перегрев, снизить шумность и количество вредных выбросов. А модернизация выпускной системы турбированного ДВС на 2% повышает КПД и на 1,5% снижает удельный расход топлива. В итоге мотор становится более экологичным, стабильным, мощным и надёжным.

Действительно ли всё это так? В чём суть предложений учёного? Нам удалось побеседовать с победителем конкурса и всё разузнать. Из всех оригинальных технических решений, разработанных Плотниковым, мы остановились как раз на обозначенных выше двух: доработанных системах впуска и выпуска турбированных моторов. Возможно, стиль изложения поначалу покажется вам сложным для восприятия, но читайте вдумчиво, и в конце мы доберёмся до сути.

Проблемы и задачи

Авторство описанных ниже разработок принадлежит группе учёных УрФУ, в которую входят доктор технических наук, профессор Бродов Ю.М., доктор физико-математических наук, профессор Жилкин Б.П. и кандидат технических наук, доцент Плотников Л.В. Работа именно этой группы удостоилась гранта в миллион рублей. В инженерной проработке предлагаемых технических решений им помогали специалисты ООО «Уральский дизель-моторный завод», а именно, начальник отдела, кандидат технических наук Шестаков Д.С. и заместитель главного конструктора, кандидат технических наук Григорьев Н.И.

Одним из ключевых параметров их исследования стала теплоотдача, идущая от потока газа в стенки впускного или выпускного трубопровода. Чем теплоотдача ниже, тем меньше термические напряжения, выше надёжность и производительность системы в целом. Для оценки интенсивности теплоотдачи используют параметр, который называется локальным коэффициентом теплоотдачи (он обозначается как αх), и задача исследователей состояла в том, чтобы найти пути уменьшения этого коэффициента.

Рис. 1. Изменение локального (lх = 150 мм) коэффициента теплоотдачи αх (1) и скорости потока воздуха wх (2) во времени τ за свободным компрессором турбокомпрессора (далее – ТК) при гладком круглом трубопроводе и разных частотах вращения ротора ТК: а) nтк = 35 000 мин-1; б) nтк = 46 000 мин-1

Вопрос для современного двигателестроения серьёзный, поскольку газовоздушные тракты входят в перечень наиболее термонагруженных элементов современных ДВС, и особенно остро задача снижения теплоотдачи в впускном и выпускном трактах стоит для турбированных двигателей. Ведь в турбомоторах, по сравнению с атмосферниками, повышены давление и температура на впуске, увеличена средняя температура цикла, выше пульсация газа, которая вызывает термомеханические напряжения. Термонагруженность ведёт к усталости деталей, снижает надёжность и срок службы элементов двигателя, а также приводит к неоптимальным условиям сгорания топлива в цилиндрах и падению мощности.

Учёные считают, что термическую напряженность турбодвижка можно снизить, и тут, как говорится, есть нюанс. Обычно для турбокомпрессора считаются важными две его характеристики – давление наддува и расход воздуха, а сам узел в расчётах принимается статичным элементом. Но на самом деле, отмечают исследователи, после установки турбокомпрессора существенно изменяются тепломеханические характеристики потока газа. Поэтому прежде чем изучать то, как меняется αх на впуске и выпуске, надо исследовать сам поток газа закомпрессором. Сначала – без учёта поршневой части двигателя (что называется, за свободным компрессором, см. рис. 1), а потом – вместе с ней.

Была разработана и создана автоматизированная система сбора и обработки экспериментальных данных – с пары датчиков снимались и обрабатывались значения скорости потока газа wх и локального коэффициента теплоотдачи αх. Кроме того, была собрана одноцилиндровая модель двигателя на базе мотора ВАЗ-11113 с турбокомпрессором ТКР-6.

Рис. 2. Зависимость локального (lх = 150 мм) коэффициента теплоотдачи αх от угла поворота коленчатого вала φ во впускном трубопроводе поршневого ДВС с наддувом при разных частотах вращения коленчатого вала и разных частотах вращения ротора ТК: а) n = 1 500 мин-1; б) n = 3 000 мин-1, 1 - n = 35 000 мин-1; 2 - nтк = 42 000 мин-1; 3 - nтк = 46 000 мин-1

Проведённые исследования показали, что турбокомпрессор – мощнейший источник турбулентности, которая влияет на тепломеханические характеристики потока воздуха (см. рис. 2). Кроме того, исследователи установили, что сама по себе установка турбокомпрессора повышает αх на впуске двигателя примерно на 30% - отчасти из-за того, что воздух после компрессора просто значительно горячее, чем на впуске атмосферного мотора. Была замерена и теплоотдача на выпуске мотора с установленным турбокомпрессором, и оказалось, что чем выше избыточное давление, тем менее интенсивно происходит теплоотдача.

Рис. 3. Схема впускной системы двигателя с наддувом с возможностью сброса части нагнетаемого воздуха: 1 - впускной коллектор; 2 - соединительный патрубок; 3 - соединительные элементы; 4 - компрессор ТК; 5 - электронный блок управления двигателем; 6 - электропневмоклапан].

В сумме получается, что для снижения термонагруженности необхожимо следующее: во впускном тракте нужно уменьшать турбулентность и пульсацию воздуха, а на выпуске – создавать дополнительное давление или разрежение, разгоняя поток – это снизит теплоотдачу, а кроме того, положительно скажется на очистке цилиндров от отработанных газов.

Все эти вроде бы очевидные вещи нуждались в детальных замерах и в анализе, которого никто ранее не делал. Именно полученные цифры позволили выработать меры, которые в будущем способны если не произвести революцию, то уж точно вдохнуть, в прямом смысле слова, новую жизнь во всю отрасль двигателестроения.

Рис. 4. Зависимость локального (lх = 150 мм) коэффициента теплоотдачи αх от угла поворота коленчатого вала φ во впускном трубопроводе поршневого ДВС с наддувом (nтк = 35 000 мин-1) при частоте вращения коленчатого вала n = 3 000 мин-1. Доля сброса воздуха: 1 - G1 = 0,04; 2 - G2 = 0,07; 3 - G3 = 0,12].

Сброс избытка воздуха на впуске

Во-первых, исследователи предложили конструкцию, позволяющую стабилизировать поток воздуха на впуске (см. рис. 3). Электропневмоклапан, врезанный во впускной тракт после турбины и в определённые моменты сбрасывающий часть сжатого турбокомпрессором воздуха, стабилизирует поток– уменьшает пульсацию скорости и давления. В итоге это должно привести к снижению аэродинамического шума и термических напряжений во впускном тракте.

А сколько же нужно сбросить, чтобы система эффективно работала, не ослабляя значительно эффекта турбонаддува? На рисунках 4 и 5 мы видим результаты проведённых замеров: как показывают исследования, оптимальная доля сбрасываемого воздуха G лежит в диапазоне от 7 до 12% – такие значения снижают теплоотдачу (а значит – и термонагруженность) во впускном тракте двигателя до 30%, то есть, приводят её к значениям, характерным для атмосферных моторов. Дальше увеличивать долю сброса смысла нет – эффекта это уже не даёт.

Рис. 5. Сравнение зависимостей локального (lх = 150 мм, d = 30 мм) коэффициента теплоотдачи αх от угла поворота коленчатого вала φ во впускном трубопроводе поршневого ДВС с наддувом без сброса (1) и со сбросом части воздуха (2) при nтк = 35 000 мин-1 и n = 3 000 мин-1, доля сброса избыточного воздуха равна 12% от общего расхода].

Эжекция на выпуске

Ну а что же выпускная система? Как мы говорили выше, она в турбированном моторе тоже работает в условиях повышенных температур, а кроме того, выпуск всегда хочется сделать как можно более способствующим максимальной очистке цилиндров от отработавших газов. Традиционные методы решения этих задач уже исчерпаны, есть ли тут ещё какие-то резервы для улучшения? Оказывается, есть.

Бродов, Жилкин и Плотников утверждают, что улучшить газоочистку и надёжность выпускной системы можно путём создания в ней дополнительного разрежения, или эжекции. Эжекционный поток, по мнению разработчиков, так же, как и клапан на впуске, снижает пульсацию потока и увеличивает объёмный расход воздуха, что способствует лучшей очистке цилиндров и повышению мощности двигателя.

Рис. 6. Схема выпускной системы с эжектором: 1 – головка цилиндра с каналом; 2 – выпускной трубопровод; 3 – труба выхлопная; 4 – эжекционная трубка; 5 – электропневмоклапан; 6 – электронный блок управления].

Эжекция положительно влияет на теплоотдачу от выпускных газов к деталям выпускного тракта (см. рис. 7): с такой системой максимальные значения локального коэффициента теплоотдачи αхполучаются на 20% ниже, чем при традиционном выпуске – за исключением периода закрытия впускного клапана, тут интенсивность теплоотдачи, напротив, несколько выше. Но в целом теплоотдача всё равно меньше, и исследователи сделали предположение, что эжектор на выпуске турбомотора повысит его надёжность, так как снизит теплоотдачу от газов стенкам трубопровода, а сами газы будут охлаждаться эжекционным воздухом.

Рис. 7.Зависимости локального (lх = 140 мм) коэффициента теплоотдачи αх от угла поворота коленчатого вала φ в выпускной системе при избыточном давлении выпуска рb = 0,2 МПа и частоте вращения коленчатого вала n = 1 500 мин-1. Конфигурация выпускной системы: 1 - без эжекции; 2 - с эжекцией.]

А если объединить?..

Получив такие выводы на экспериментальной установке, учёные пошли дальше и применили полученные знания на реальном двигателе – в качестве одного из «подопытных» был выбран дизель 8ДМ-21ЛМ производства ООО «Уральский дизель-моторный завод».Такие моторы применяются в качестве стационарных энергоустановок. Кроме того, в работах использовался и «младший брат» 8-цилиндрового дизеля, 6ДМ-21ЛМ, также V-образный, но имеющий шесть цилиндров.

Рис. 8. Установка электромагнитного клапана для сброса части воздуха на дизеле 8ДМ-21ЛМ: 1 - клапан электромагнитный; 2 - впускной патрубок; 3 - кожух выпускного коллектора; 4 - турбокомпрессор.

На «младшем» моторе была реализована система эжекции на выпуске, логично и весьма остроумно объединённая с системой сброса давления на впуске, которую мы рассмотрели чуть ранее – ведь как было показано на рисунке 3, сбрасываемый воздух может использоваться для нужд двигателя. Как видим (рис. 9), над выпускным коллектором проложены трубки, в которые подаётся воздух, забранный со впуска – это то самое избыточное давление, создающее турбулентность после компрессора. Воздух из трубок «раздаётся» через систему электроклапанов, которые стоят сразу за выпускным окном каждого из шести цилиндров.

Рис. 9. Общий вид модернизированной выпускной системы двигателя 6ДМ-21ЛМ: 1 – выпускной трубопровод; 2 – турбокомпрессор; 3 – газоотводящий патрубок; 4 – система эжекции.

Такое эжекционное устройство создаёт дополнительное разрежение в выпускном коллекторе, что ведёт к выравниванию течения газов и ослаблению переходных процессов в так называемом переходном слое. Авторы исследования замерили скорость потока воздуха wх в зависимости от угла поворота коленчатого вала φ с применением эжекции на выпуске и без неё.

Из рисунка 10 видно, что при эжекции максимальная скорость потока выше, а после закрытия выпускного клапана она падает медленнее, чем в коллекторе без такой системы – получается своеобразный «эффект продувки». Авторы говорят, что результаты свидетельствуют о стабилизации потока и лучшей очистке цилиндров двигателя от отработавших газов.

Рис. 10. Зависимости местной (lx = 140 мм, d = 30 мм) скорости потока газа wх в выпускном трубопроводе с эжекцией (1) и традиционном трубопроводе (2) от угла поворота коленчатого вала φ при частоте вращения коленчатого вала n = 3000 мин-1 и начальном избыточном давлении pb = 2,0 бар.

Что в итоге

Итак, давайте по порядку. Во-первых, если из впускного коллектора турбомотора сбрасывать небольшую часть сжатого компрессором воздуха, можно снизить теплоотдачу от воздуха к стенкам коллектора до 30% и при этом сохранить массовый расход воздуха, поступающего в мотор, на нормальном уровне. Во-вторых, если применить эжекцию на выпуске, то теплоотдачу в выпускном коллекторе тоже можно существенно снизить – проведённые замеры дают величину около 15%, – а также улучшить газоочистку цилиндров.

Объединяя показанные научные находки для впускного и выпускного трактов в единую систему, мы получим комплексный эффект: забирая часть воздуха со впуска, передавая её на выпуск и точно синхронизировав эти импульсы по времени, система будет выравнивать и «успокаивать» процессы течения воздуха и отработавших газов. В результате мы должны получить менее термонагруженный, более надёжный и производительный по сравнению с обычным турбомотором двигатель.

Итак, результаты получены в лабораторных условиях, подтверждены математическим моделированием и аналитическими расчетами, после чего создан опытный образец, на котором проведены испытания и подтверждены положительные эффекты. Пока всё это реализовано в стенах УрФУ на большом стационарном турбодизеле (моторы такого типа используют также на тепловозах и судах), однако заложенные в конструкцию принципы могли бы прижиться и на моторах поменьше – представьте, например, что ГАЗ Газель, УАЗ Патриот или LADA Vesta получают новый турбомотор, да ещё с характеристиками лучше, чем у зарубежных аналогов… Возможно ли, чтобы новая тенденция в двигателестроении началась в России?

Есть у учёных из УрФУ и решения для снижения термонагруженности атмосферных моторов, и одно из них – профилирование каналов: поперечное (путём введения вставки квадратного или треугольного сечения) и продольное. В принципе, по всем этим решениям сейчас можно строить рабочие образцы, проводить испытания и при их положительном исходе запускать серийное производство – заданные проектно-конструкторские направления, по мнению учёных, не требуют значительных финансовых и временных затрат. Теперь должны найтись заинтересованные производители.

Леонид Плотников говорит, что считает себя в первую очередь учёным и не ставит цели коммерциализировать новые разработки.

Среди целей я, скорее, назвал бы проведение дальнейших исследований, получение новых научных результатов, разработку оригинальных конструкций газовоздушных систем поршневых ДВС. Если мои результаты будут полезны промышленности, то я буду рад. По опыту знаю, что внедрение результатов – очень сложный и трудоемкий процесс, и если в него погружаться, то на науку и преподавание не останется времени. А я больше склонен именно к области образования и науки, а не к промышленности и бизнесу

доцент «Уральского федерального университета имени первого президента России Б.Н. Ельцина» (УрФУ)

Однако добавляет, что уже начался процесс внедрения результатов исследования на энергомашины ПАО «Уралмашзавод». Темпы внедрения пока невысоки, вся работа находится на начальном этапе, и конкретики очень мало, однако заинтересованность у предприятия есть. Остаётся надеяться на то, что результаты этого внедрения мы всё же увидим. А также на то, что работа учёных найдёт применение в отечественном автопроме.

А как вы оцениваете результаты исследования?