Так все начиналось: прототип высокофорсированного турбодизеля постройки 1990 года. Объем — 9,2 л, мощность — 425 л.с.!
Трехмерная модель механизма. Поршень уже прошел верхнюю мертвую точку и движется вниз.
1 — блок цилиндров, 2 — эксцентриковый вал, 3 — поршень, 4 — шатун, 5 — коленчатый вал, 6 — коромысло, 7 — дополнительный шатун
На частичных нагрузках дополнительный шатун (7) занимает крайнее нижнее положение и поднимает зону рабочего хода поршня. Степень сжатия максимальна
При высоких давлениях наддува эксцентрик на валу (2) поднимает ось верхней головки дополнительного шатуна (7). При этом посредством коромысла (6) увеличивается надпоршневой зазор и уменьшается степень сжатия
Изменение степени сжатия на экспериментальном двигателе Saab SVC производится отклонением моноблока цилиндров при помощи шатуна с эксцентриковой опорой |
Едва успели стихнуть восторги по поводу появления двигателя Saab SVC с изменяемой степенью сжатия (см. АР № 21, 2000), как жизнь преподнесла нам еще одну новость. Оказывается, концерн DaimlerChrysler не менее активно интересуется этой темой, и на штутгартских стендах уже работают два подобных двигателя. А самое интересное, что в основе принципа изменения степени сжатия этих моторов лежит изобретение российских инженеров. Более того, экспериментальные мерседесовские двигатели сконструированы и изготовлены в московском научно-исследовательском институте НАМИ!
На испытательном стенде НАМИ уже шестые сутки без перерыва молотит мерседесовский двухлитровый четырехцилиндровый двигатель М111. На первый взгляд — обычный мотор. Именно такой ставится, например, на Mercedes SLK 200 Kompressor. Характерная ярко-красная клапанная крышка, роторный нагнетатель Eaton с приводным ремнем... Разве что место охладителя наддувного воздуха занимает воздушно-водяной теплообменник от ярославского дизеля.
Но на самом деле блок цилиндров этого мерседесовского мотора скрывает уникальный кривошипно-шатунный механизм. К шатунным шейкам коленчатого вала здесь крепятся не шатуны, а двуплечие коромысла. Самих шатунов теперь два на каждый цилиндр: один соединяет коромысло с поршнем, другой — с эксцентриковым валом в блоке. Получаются «весы»: с поворотом эксцентриков одновременно изменяется положение верхней и нижней мертвых точек поршня. То есть мы тем самым смещаем зону рабочего хода поршней «по вертикали». Сместили вниз — увеличили объем камеры сгорания, а значит, снизили степень сжатия. Сместили вверх — наоборот, «поджали» двигатель.
Просто? Как все гениальное...
Работу над этим механизмом в НАМИ начали в конце 80-х годов. А в 1990 году в двигателе с изменяемой степенью сжатия возникла реальная необходимость: военному ведомству понадобился компактный четырехцилиндровый турбодизель, по отдаче сопоставимый с ярославской «восьмеркой» ЯМЗ-8424 мощностью 425 л.с. Снять с заново спроектированной «четверки» вдвое большую литровую мощность помог наддув высокого давления — турбокомпрессор развивал почти 4 бара! Но из соображений надежности степень сжатия пришлось бы уменьшить. А дефорсированный дизель стал бы прожорливее на частичных нагрузках, ухудшились бы пусковые качества...
Преодолеть противоречие помогла изменяемая степень сжатия. Построенный экспериментальный образец успешно прошел первые этапы стендовых испытаний, попутно удивляя своих создателей неожиданными свойствами. В частности, оказалось, что, подбирая оптимальную степень сжатия для каждого из режимов работы двигателя, можно эффективно управлять его экологическими характеристиками. Но тут грянула перестройка, и заказчик прекратил финансирование.
Пауза в разработках длилась до 1998 года, когда механизмом заинтересовались мерседесовские двигателисты, которые время от времени посещают НАМИ. По заказу Штутгарта российские инженеры представили несколько расчетных вариантов двигателей с изменяемой степенью сжатия — дизельных, бензиновых... Одновременно DaimlerChrysler рассматривал подобные проекты других инжиниринговых фирм — например, компании FEV Motorentechnik из Аахена, которая запатентовала немного иной механизм изменения степени сжатия. Но немецкий вариант явно проигрывал российскому, и совместный проект вступил в следующую фазу. Из Штутгарта в Москву прислали три оригинальных блока цилиндров, отлитых по российским чертежам. Два экспериментальных мотора, собранных в НАМИ на базе бензиновой наддувной «четверки» М111, уехали обратно в Германию, а один остался — и с сентября прошлого года проходит первые ресурсные испытания на стенде.
Почему именно бензиновый мотор? Почему именно «четверка»?
Во-первых, оказалось, что кинематика коромыслового механизма отлично подходит именно для четырехцилиндровых двигателей — дополнительные движущиеся детали играют роль балансирных валов и делают рядные «четверки» на порядок более уравновешенными! Во-вторых, и это самое важное, возможность оперативно изменять степень сжатия актуальна именно для бензиновых двигателей с наддувом. Например, тот самый мерседесовский двухлитровый мотор М111 на родстере SLK 200 Kompressor имеет степень сжатия 9,3 и наддув низкого давления (до 0,4 бара), развивая при этом 163 лошадиные силы. Это отнюдь не предел форсировки «по наддуву»: на модели Mercedes CLK 200 Kompressor этот же двигатель развивает уже 192 силы при большем давлении наддува. Но для этого мерседесовцам пришлось снизить степень сжатия до величины 8,5 — иначе не избежать детонации на низких оборотах при полностью открытом дросселе. А «разжатый» мотор менее экономичен на частичных нагрузках...
Собранный в НАМИ двигатель позволяет оперативно изменять степень сжатия в очень широком диапазоне — от 7,5 до 14. Если соответствующим образом настроить блок управления (этим в рамках мерседесовского проекта будут заниматься специалисты компании Siemens), то для каждого режима электроника будет подстраивать степень сжатия таким образом, чтобы двигатель всегда работал с наивысшим коэффициентом полезного действия. На холостых оборотах, когда отдача минимальна, мотор работает с максимальной степенью сжатия 14 — по расчетам НАМИ, экономия топлива в таком режиме превышает 15%. По мере роста нагрузки давление наддува растет, а степень сжатия снижается. Вдобавок, в отличие от обычного мотора М111, мы можем «разжать» двигатель до степени сжатия 7,5 — и безболезненно повысить наддув до 1—1,3 бара, не опасаясь повышенного риска возникновения детонации. Это позволит снять с двух литров рабочего объема до 250 л.с., практически не снижая при этом расчетный ресурс двигателя.
Словом, цели и задачи штутгартских мотористов напоминают саабовские — не только «выжать» из маленького мотора отдачу большого, но и выиграть при этом в экономичности. Правда, Saab применяет иной механизм изменения степени сжатия. У шведских моторов головка и блок цилиндров отлиты заодно, и моноблок на шарнирах может качаться относительно неподвижной оси коленчатого вала. Это позволяет не вмешиваться в конструкцию кривошипно-шатунного механизма, но жесткая силовая связь между моноблоком и корпусами подшипников коленчатого вала оказывается разорванной. Кроме того, для выпуска моноблоков необходимо специальное оборудование (вспомним трудности Горьковского автозавода с освоением массового производства моноблочных дизелей Steyr).
Главное же достоинство двигателей из НАМИ — их можно делать практически на любом современном моторном производстве. И на базе практически любого двигателя. Мерседесовского, вазовского, уфимского — неважно.
Кстати, в НАМИ уже проводили предварительные расчеты бензинового турбомотора с изменяемой степенью сжатия на базе заволжского «шестнадцатиклапанника» ЗМЗ-406. Мотор, оснащенный турбонаддувом высокого давления, на низких оборотах будет работать как хорошо «поджатый» атмосферный двигатель. Результат — не только высокая литровая мощность (по предварительным расчетам — до 260—280 л.с.), но и уверенная тяга «на низах» и умеренный расход топлива. Кроме того, такой мотор получается более «всеядным», менее чувствительным к понижению октанового числа топлива. А это очень актуально для российской глубинки...
Но интереса со стороны отечественных автозаводов ждать вряд ли следует — им не до перспективных разработок. Ведь даже такой гигант, как DaimlerChrysler, очень осторожно подходит к разработке новых механизмов. Изменение степени сжатия — штука заманчивая, но «не бесплатная». Во-первых, наличие дополнительных связей в кривошипно-шатунном механизме может повлиять на надежность двигателя. Но разработчики утверждают, что дополнительные шатуны и коромысла испытывают нагрузки не большие, чем штатные детали, — а значит, они не потребуют при изготовлении каких-либо особых материалов и будут служить не меньше. Да и первые ресурсные тесты пока что обнадеживают. Например, один из двигателей вполне успешно отработал на стенде около 200 часов и отлично себя чувствует.
Во-вторых, в таком двигателе возрастают механические потери. Вдобавок, требуется дополнительный расход энергии на привод актуатора, который поворачивает эксцентриковый вал (пока для этого используется дополнительный гидронасос с приводом от коленчатого вала). А в-третьих, хоть российский механизм и проще, чем у конкурентов (например, немцы из FEV Motorentechnik предлагают перемещать вверх-вниз коленчатый вал вместе с опорами), но такой двигатель будет все же дороже обычного. Стоит ли игра свеч?
Пока в Штутгарте этого не решили. Возможно, российский механизм будет использован в новых «компрессорных» моторах С-класса следующего поколения, который появится в 2007 году. Может быть, изменяемую степень сжатия получат и другие двигатели DaimlerChrysler. А может быть, этого не произойдет...
Тем временем в НАМИ уже предлагают мерседесовцам дальнейшее развитие идеи - изменение рабочего объема.
Экспорт технологий?
Владимир Еремкин, фото автора
|
