Степень свободы. Продолжение. Начало в № 3, 4/2014
Изучая проекты ДВС с переменной степенью сжатия, нельзя не вспомнить о разработках Центрального Научно-исследовательского автомобильного автомоторного института (НАМИ).
Проекты НАМИ
В НАМИ работы по созданию двигателей с изменяемой степенью сжатия начались в 80-х годах прошлого столетия. Советские ученые, как им и было положено, и на этом направлении двигались в авангарде мировой науки. Они сконцентрировали свои усилия на изучении управления движением поршней с помощью трехзвенных преобразующих механизмов. В конце 1980-х в НАМИ был создан экспериментальный 4-цилиндровый дизель Т-01 с VCR-механизмом траверсного типа. Механизм с узлом регулирования, вынесенным из «горячей» зоны и разгруженным от действия газовых сил, позволял менять степень сжатия в диапазоне 10-17. Двигатель более 1000 ч безотказно отработал на стенде. Помимо хорошей работоспособности преобразующего механизма стендовые испытания подтвердили позитивное влияние регулирования степени сжатия на снижение дымности отработавших газов и концентрации оксидов азота. В середине 1990-х был изготовлен балансирный дизель ТБ-48, которым планировалось оснащать легковые автомобили и микроавтобусы.
К сожалению, стране, озадаченной демократизацией и тотальным переделом собственности, было не до эффективных моторов. Поэтому серьезные достижения специалистов НАМИ, возглавляемых доктором технических наук Георгом Тер-Мкртичьяном, в своем отечестве, как водится, остались незамеченными. К счастью, их успехи оценили в странах развитой демократии и предложили сотрудничество. В 1998 году НАМИ приступил к работе над проектом по заказу DaimlerChrysler. В рамках проекта был выполнен комплекс исследований и конструкторских проработок по созданию VCR-двигателей на базе серийных «мерседесовских» моторов: дизеля ОМ 611 объемом 2,15 л и 2-литрового М111 – современного многоклапанного бензинового двигателя с механическим нагнетателем. Для обоих двигателей была разработана конструкция VCR-механизмов траверсного типа с верхним коромыслом, отличающаяся наилучшей уравновешенностью. Одновременно знаменитый концерн ту же задачу задал небезызвестной нам компании FEV, которая также решила ее с помощью траверсного механизма, но в своей версии. Сравнительный анализ конкурирующих предложений показал, что схема российских ученых выигрышнее. После этого пять двигателей М111 были доработаны и оснащены VCR-механизмами НАМИ с возможностью изменения степени сжатия от 7,5 до 14. В 2003-2004 годах они прошли успешные испытания в Москве и Штутгарте на безотказность и соответствие заявленным требованиям. В сравнении с базовыми параметрами крутящий момент двигателя возрос на 30% и достиг 300 Шм (при среднем эффективном давлении 20 бар). Вскоре после этого в руководстве DC произошли перемены, новые топ-менеджеры воодушевились системой FEV с эксцентриками коленчатого вала, и работы над проектом HAMl/1-DaimlerChrysler были приостановлены. И все же усилия российских инженеров не пропали даром. Недавно «русский след» был обнаружен в одной из новейших концептуальных разработок DaimlerChrysler, о которой будет рассказано чуть позже.
Между тем специалисты НАМИ продолжали работы по созданию ДВС с управляемым движением поршней. Был изготовлен и испытан пилотный образец двигателя НАМИ-ВАЗ, базой для которого послужил новый перспективный двигатель ВАЗ-11-194. Новизна базового мотора заключалась в использовании облегченного поршневого комплекта от Federal-Mogul и оптимизации фаз ГРМ. Эти меры позволили уменьшить литраж до 1,4 л без ущерба для мощностных показателей (90 л.с. и 130 Н*м) за счет сокращения механических потерь. Доработка двигателя включала оснащение его турбокомпрессором и изготовление картера, вместившего траверсный механизм. Все его детали изготавливают в условиях традиционного моторного производства с использованием обычных технологий. В новом картере коленчатый вал с уменьшенным радиусом кривошипа смещен в сторону от плоскости симметрии блока цилиндров. Верхнее коромысло механизма соединено с эксцентриковым валом, который вращает электродвигатель постоянного тока с максимальным крутящим моментом 10 Н*м. Быстродействие системы составляет 0,2-0,5 с. За это время высота камеры сжатия изменяется на 4 мм, что соответствует изменению степени сжатия от 7,5 до 14.
Параметры систем турбонаддува (избыточное давление – 0,5 бар) и управления движением поршней определялись выходными характеристиками двигателя, заданными конструкторами АВТОВАЗа. Они более чем скромные (100 л.с. и 160 Н*м) из-за ограниченных возможностей штатной трансмиссии. Поставленная задача довольно легко решена, что не удивительно. Е1емаловажно то, что токсичность двигателя НАМИ– ВАЗ легко вписывается в нормы Euro IV. Мотор способен одинаково эффективно работать на жидких и газообразных нефтяных топливах и на растительных – спиртах и эфирах. В версии с непосредственным впрыском топлива можно комбинировать работу с воспламенением смеси искрой или от предварительного сжатия, как в дизелях.
Параллельно велись дальнейшие исследования траверсных механизмов. Их результатом стала разработка системы нового поколения, позволяющей одновременно регулировать и степень сжатия, и рабочий объем двигателя. От обычного траверсного VCR-механизма она отличается только особым соотношением геометрических параметров звеньев. Кинематика механизма такова, что уменьшение степени сжатия в 2 раза приводит к увеличению рабочего объема (хода поршня) на 40%. Как отмечалось в первой части статьи, это открывает путь к созданию еще более гибких и эффективных двигателей. Режимы пуска и частичных нагрузок они будут отрабатывать не только с максимальной степенью сжатия, но и минимальным рабочим объемом. К преимуществам за счет высокого индикаторного КПД добавится выигрыш от уменьшения насосных потерь. Когда от двигателя потребуется вся мощность, система управления движением поршней увеличит его объем до максимума и позволит агрегатам наддува заполнить его топливовоздушной смесью без оглядки на детонацию, уменьшив ε. Так удастся еще более радикально снизить расход топлива, выбросы токсичных веществ и парникового газа без ущерба для тяговых характеристик моторов.
Уникальную информацию по устройству, эксплуатации и ремонту систем турбонаддува смотрите на сайте turbomaster.ru
