Компоненты "Отечественным моторам – европейское качество!"


В настоящее время по-прежнему сохраняет свою актуальность проблема создания отечественных двигателей, способных конкурировать с зарубежными аналогами, в первую очередь по своим мощностным, экономическим и экологическим показателям. Поэтому не случайно в ряде выступлений участников 7-ой Международной конференции «Двигатели для российских автомобилей», состоявшейся в рамках «Мотор-Шоу-2005» в Москве, особое внимание было уделено конструктивным разработкам, позволяющим повысить экологическую безопасность отечественного автотранспорта, уменьшив уровни выбросов вредных веществ с отработавшими газами.


 В поисках путей решения проблем

Как отметил в своём выступлении первый заместитель генерального директора ГНЦ РФ ФГУП НАМИ Г. С. Корнилов, Концепцией развития автомобильной промышленности России, одобренной распоряжением Правительства РФ от 16.07.2002 г. № 978р, предусматривается поэтапная интеграция российских автопроизводителей в мировой авторынок и постепенное приведение экологических показателей отечественных машин в соответствие с международными экологическими нормами на основе Правил ЕЭК ООН.

В настоящее время в стадии разработки находится специальный технический регламент о безопасности колёсных транспортных средств и их компонентов, которым предусмотрено создание серии специальных технических регламентов, утверждаемых Правительством РФ и предписывающих требования к конструктивной и экологической безопасности автомобилей. Среди них одним из первоочередных можно считать спецрегламент «О требованиях к выбросам автомобильной техникой, выпускаемой в обращение на территории Российской Федерации, вредных (загрязняющих) веществ». Этот документ уже прошёл все стадии обсуждения и согласования с органами исполнительной власти, слушания в Государственной Думе РФ и находится на утверждении в Правительстве РФ. Он устанавливает экологическую классификацию АТС в зависимости от уровня выбросов вредных веществ с отработавшими газами ДВС и сроки введения повышенных экологических требований к автотранспортным средствам.

В соответствии с указанным выше документом, определены категории и подгруппы автотранспортных средств, относящиеся к тому или иному экологическому классу. Последний определяется соответствием АТС той или иной категории нормативным документам, устанавливающим требования к экологическим характеристикам. Таким образом, нулевой экологический класс примерно соответствует требованиям Евро-0, а 5-ый – нормам Евро-5.

Специальный технический регламент устанавливает повышенные экологические требования к моторным топливам, причём сроки поставок таких топлив на российский рынок синхронизированы со сроками начала производства автомобилей соответствующих классов.

Изучение динамики перехода российскими производителями автомобилей на экологические нормы в соответствии со специальным техническим регламентом позволяет надеяться, что к 2010 году все автотранспортные средства, выпускаемые отечественным автопромом, будут удовлетворять нормам Евро-4. Уже подсчитана экономическая эффективность реализации этого регламента за счёт снижения ущерба, наносимого окружающей среде. При этом уже в2006 г. предотвращённый ущерб может составить более 50 млрд руб., а к2010 г. – более 70 млрд руб. Таким образом, есть все основания ожидать, что к 2010 году экологические показатели выпускаемых в России автомобилей будут гармонизированы с международными экологическими нормами.

 Совершенствование камазовских «силачей»

Моторостроители с берегов Камы вместе со своими партнёрами выполнили большой объём научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ как по совершенствованию выпускаемых моторов, так и по разработке, доводке, подготовке и освоению производства новых моделей двигателей, во многом отвечающих современным требованиям по надёжности, экологичности и экономичности. С перспективными разработками в этом направлении познакомил главный конструктор по двигателям Н. А. Гатауллин.

 

Новые дизели КАМАЗ уровней Евро-3, -4

Модель

Параметры

Тип

Размерность,

S, мм

Рабочий объём, л

nном, мин-1

Ne, л. с.

Мкр, Н·м

Двигатели, соответствующие Евро-3

740.63-400

V-8

120х130

11,76

1900

400

180

740.60-360

360

160

740.61-320

320

140

740.62-280

280

120

570.30-240

V-6

120х120

8,14

1900

240

100

570.32-200

200

80

Двигатели, соответствующие Евро-4

740.73-400

V-8

120х130

11,76

1900

400

180

740.70-360

360

160

740.71-320

320

140

740.72-280

280

120

570.40-240

V-6

120х120

8,14

1900

240

100

570.42-200

200

80

 

К настоящему времени уже разработаны, собраны и прошли сертификационные испытания 8-цилиндровые двигатели моделей 740.60-360, 740.61-320 и 740.62-280 уровня Евро-3 с традиционной топливной аппаратурой производства ОАО «ЯЗДА». Так, например, 360-сильный мотор 740.60-360 рабочим объёмом11,76 лобладает ресурсом, соответствующим не менее 800 тыс. км пробега автомобиля. При этом минимальный удельный расход топлива составляет 150-152 г/(л. с.·ч), а расход масла на угар не превышает 0,1 % от расхода топлива. Помимо этого, планируется дальнейшее развитие конструкций камазовских «силачей». В частности, предполагается их выпуск на базе топливных аппаратур типа Р7100 с электронным регулятором RE-30 от фирмы Bosh.

Что касается 8-цилиндровых двигателей уровня Евро-4, то они имеют конструктивные изменения, связанные с установкой перспективной системы топливоподачи. С целью «доводки» характеристик рабочих процессов были изменены формы камер сгорания, применено центральное расположение форсунок и 4-клапанное газораспределение. В результате планируемый ресурс дизеля 740.73-400 будет соответствовать не менее 1 млн км пробега автомобиля, расход масла на угар окажется не более 0,05 % от расхода топлива, а минимальный удельный расход горючего составит 143-145 г/(л. с.·ч).

Должное внимание камазовские конструкторы уделяют и созданию 6-цилиндровых моторов. Уже начались работы по созданию V-образных двигателей мощностью 200 и240 л. с. с турбонаддувом и охлаждением наддувочного воздуха.

Примечательно, что модернизированные и перспективные 6- и 8-цилиндровые дизели КАМАЗ отличаются высоким уровнем унификации по отношению к двигателю 740.30-260. Так, например, для дизеля 740.31-240 (Евро-2) он составляет 95 %, для мотора 740.60-360 (Евро-3) – 87 %.

С начала выпуска первых двигателей в1976 г. и до настоящего времени КАМАЗ постоянно совершенствует свои двигатели, повышая их технико-экономические показатели.

Опыт разработки и создания камазовских дизелей, отвечающих нормативам Евро-3, показал, что на дизеле размерности 120х130 мм (диаметр х ход поршня) в мощностном диапазоне 280-360 л. с. этот уровень обеспечивается при применении либо модернизированной традиционной топливной аппаратуры от ОАО «ЯЗДА» с электронной системой управления (ЭСУ) нагрузочно-скоростными режимами работы двигателя, либо топливной аппаратуры Bosch (типа 7100) в комплектации с электронным регулятором. Форсунки производства ОАО «ЯЗДА» имеют малогабаритный 6-сопловый распылитель с диаметром иглы4,5 мм. Форсунки же, изготовляемые ЗАО «АЗПИ», применяемые с ТНВД Bosh, имеют 6-сопловые распылители типа Р (с диаметром иглы4 мм).

Огромная роль в управлении рабочими процессами, происходящими в двигателе, отводится ЭСУ. Её основными элементами являются электронный блок управления, исполнительный механизм, комплект датчиков, педальный модуль. Указанная система позволяет формировать требуемую внешнюю скоростную характеристику двигателя, обеспечивая различные способы её регулирования. В частности, выполняется корректировка цикловой подачи топлива в зависимости от давления и температуры наддувочного воздуха, а также температуры топлива. Попутно заметим, что в ЭСУ реализована функция ограничения максимальной скорости.

Значительное преимущество традиционной топливной аппаратуры от ОАО «ЯЗДА» заключается в преемственности имеющихся в производстве технологических процессов. Однако она не способна обеспечивать процесс впрыскивания топлива с давлением более 120 МПа. Невозможно и управлять углом опережения впрыска топлива по оптимальному алгоритму.

Применение системы топливоподачи на базе столбиковых секций фирмы Bosch с электронным управлением позволяет достигнуть максимального давления впрыска топлива в диапазоне 120-160 МПа. Электронное управление электромагнитными клапанами столбиковых секций позволяет реализовать заданный оптимальный алгоритм изменения начала и продолжительности впрыска топлива. Перечисленные преимущества обеспечивают выполнение норм Евро-3. При этом удаётся снизить удельный расход топлива до уровня 145 г/(л. с.·ч). К этому можно добавить и другие неоспоримые преимущества адаптированных на камазовских дизелях систем топливоподач столбикового типа, в частности, их эксплуатационную надёжность, а также стойкость к дизельным топливам низкого качества.

В нынешнем году НТЦ ОАО «КАМАЗ» приступил к работам по адаптации на дизелях уровня Евро-4 аккумуляторной системы топливоподачи Common Rail (CR). В отличие от систем столбикового типа она позволяет выполнять раздельный процесс впрыскивания топлива, а это – ещё один способ снижения выбросов вредных веществ и шумности двигателя. Причём, удаётся увеличить давление впрыска до уровня 200 МПа. Кроме того, применение такого способа впрыска обусловливает сокращение времени, необходимого на пуск «холодного» двигателя. Работы по адаптации аккумуляторной системы топливоподачи на камазовских дизелях планируется завершить в будущем году.

Доведение камазовских дизелей до современных стандартов Евро-4 требует существенного улучшения характеристик рабочих процессов, протекающих в дизелях. В связи с этим потребовалось проведение целого ряда конструктивных мероприятий.

С применением новых 4-клапанных чугунных головок цилиндров удалось уменьшить потери на газообмен, увеличить наполнение цилиндров воздухом и повысить механический КПД двигателя. Конструктивное исполнение 4-клапанных головок подразумевает применение форсунок, расположенных центрально относительно осей цилиндров. Такая особенность позволяет применить распылитель с увеличенным до 8 числом отверстий, улучшить распределение топлива по камере сгорания и рациональнее использовать воздух, находящийся в ней. Кроме того, удаётся уменьшить выброс белого дыма вместе с выхлопными газами на режиме прогрева двигателя во время его холодного пуска.

Для выбора оптимальных режимов работы дизеля по углу опережения впрыска топлива (УОВТ) необходимо его регулирование электронным способом. Ведь при этом требуется учитывать тепловое состояние, скоростные и нагрузочные режимы двигателя. Обозначенный способ управления УОВТ на двигателях со столбиковыми (UPS Bosch) или аккумуляторными (Common Rail) системами топливоподачи осуществляется только заданием характеристики в электронном блоке управления. Что касается двигателей с традиционной топливной аппаратурой, то управление УОВТ подразумевает применение дополнительной электронно-управляемой муфты опережения впрыскивания топлива. Следует заметить, что регулирование указанного параметра способствует выполнению норм по токсичности отработавших газов (ОГ) без ухудшения топливной экономичности дизеля.

Доведение экологических показателей до уровней Евро-4, а впоследствии и Евро-5 представляется возможным только с комплексными системами обработки выхлопных газов. В её состав могут входить система обработки ОГ на основе использования карбамидного раствора (SCR), специальные фильтры для дизелей, в том числе термические фильтры с дожиганием (DPF, DPFB), система рециркуляции ОГ. Применение той или иной системы будет зависеть от планируемых условий эксплуатации, в частности и качества топлива периодичности техобслуживания. Заметим, что система рециркуляции ОГ позволяет снизить выбросы NOх, и её применение рассматривается в комплексе с другими системами обработки ОГ камазовских двигателей.

Определённые усовершенствования коснулись и системы турбонаддува. Регулирование охлаждения наддувочного воздуха, а также применение турбокомпрессоров с переменной «геометрией» соплового аппарата турбины или регулируемого соплового аппарата позволит улучшить характеристики двигателя не только в контрольных точках, но и на «частичных» и переходных режимах. Ведь изменяемая «геометрия» соплового аппарата позволяет не только варьировать пропускную способность турбины в соответствии с режимом работы дизеля, но и более полно использовать энергию отработавших газов за счёт установки оптимального угла атаки потока.

Приведение камазовских «силачей» в соответствие с современными экологическими стандартами потребовало более внимательного подхода к выбору материалов. В первую очередь это коснулось блоков и головок цилиндров.

В частности, для отливки блока цилиндров был применён чугун с вермикулярным графитом ЧВГ-35. Он обладает не только хорошими литейными свойствами и теплопроводностью, но и высокими механическими характеристиками, что позволяет повысить прочностные качества блока более чем на 60 % по сравнению с аналогичным изделием из серого чугуна марки СЧ 21. Кстати, стендовые испытания в полуприглушённой камере показали, что применение ЧВГ привело к снижению уровня шума работающих двигателей на 1-1,5 дБА.

Как известно, на камазовских «богатырях» уровня Евро-2 применяются головки цилиндров из алюминиевого сплава АК9ч с твёрдостью материала менее 90 HB (по Бринеллю). Для повышения механических свойств головок цилиндров для двигателей уровня Евро-4 мощностью до360 л. с. применили алюминиевый сплав АК6М2 с твёрдостью порядка 120 НВ и пределом прочности 270-290 МПа. В числе других мер это мероприятие помогло повысить ресурс работы двигателя, который стал соответствовать не 500 тыс., а 800 тыс. км пробега автомобиля. Следует заметить, что для дизелей мощностью более360 л. с., соответствующих требованиям Евро-4, планируется применять головки цилиндров из чугуна марки ЧВГ-35 с пределом прочности материала 360-450 МПа.

Определённые изменения претерпевают и элементы цилиндропоршневой группы. Так, в конструкциях камазовских «силачей» уровня Евро-2 и выше устанавливаются нетермообрабатываемые гильзы, которые изготавливаются из специального легированного чугуна. Он отличается от чугуна, подвергаемого объёмной закалке, наличием молибдена, фосфора, бора. Такое дополнительное легирование позволило получить необходимые для высокой износостойкости и «задиростойкости» структуру и твёрдость материала. В результате удалось исключить такой важный дефект, как «задир» гильзы цилиндра.

Что касается поршней двигателей Евро-4, то их конструкция составная. При этом головка поршня выполняется из жаропрочной стали, а юбка – из алюминиевого сплава. Масло для охлаждения поршня подаётся форсункой, установленной в блок цилиндров и имеющей расход масла в пределах 6-8 л/мин.

В конструкции поршневых колец также есть ряд особенностей. В частности, верхнее компрессионное кольцо в своём поперечном сечении имеет форму трапеции, а рабочая его поверхность выполнена в виде смещённой «бочки» с хромокерамическим износостойким покрытием. Второе компрессионное кольцо скребкового типа обладает прямоугольным сечением и для уменьшения износа подвергается азотированию. Маслосъёмное же кольцо, с высотой4 мми уменьшенной на0,25 ммрадиальной толщиной, обладает хромированными рабочими «поясками».

Перечисленные конструктивные решения позволили улучшить качество приработки элементов цилиндропоршневой группы, уменьшить потери на трение, повысить износостойкость, а следовательно, и ресурс работы ЦПГ, который теперь соответствует 800 тыс. км пробега автомобиля при расходе масла на угар не более 0,1 % от расхода топлива.

В рамках разработки конструкций моторов, способных работать на альтернативном топливе, определённое внимание камазовских специалистов уделено «газовым» двигателям. К настоящему времени на базе турбонаддувного дизеля КАМАЗ 740.50-360 с промохлаждением наддувочного воздуха уже созданы «газовые» варианты 820.52-260 и 820.53-240, которые пока соответствуют лишь нормам Евро-2.

Конструкция этих «силачей» отличается целым рядом особенностей. Так, например, применение поршней с цилиндрической камерой сгорания в головке поршня обеспечивает степень сжатия, равную 12. Головки цилиндров были доработаны под установку свечей зажигания, а также газовых электромагнитных дозаторов. Особое внимание было уделено установке газового фильтра и установке системы подвода газа к газовым дозаторам. В конструкции применена бесконтактная система зажигания.

Немаловажным фактом является и оснащение «газовых» двигателей электронной системой управления на базе контроллера М20, обеспечивающей управление заданными параметрами мотора и их диагностику. Регулирование расхода воздуха происходит по сигналу от датчика абсолютного давления наддувочного воздуха с помощью дроссельной заслонки с электроприводом.

В процессе разработки указанных моделей «газовых» двигателей был реализован принцип распределённой подачи газа непосредственно в зону перед впускными клапанами через электромагнитные газовые дозаторы. При этом подача газа регулируется путём изменения времени открытого состояния дозатора.

Напомним, что ещё в2003 г. был завершён первый этап опытно-конструкторских работ (ОКР) и проведены приёмочные испытания транспортного «газового» мотора с электронной системой управления. В настоящее же время ОКР по «газовым силачам» уже завершены. С целью определения эксплуатационных показателей на базе ООО «Уралтрансгаз» организованы испытания автобусов НефАЗ с газовыми двигателями.

 Ярославские «удальцы»

ОАО «Автодизель», больше известное как ЯМЗ, в настоящее время стабильно развивается, а его руководство с оптимизмом смотрит в будущее. Об этом убедительно говорят показатели работы предприятия. За первые 6 месяцев нынешнего года объём товарной продукции в целом составил 111,5 % по отношению к аналогичному периоду2004 г., а выпуск двигателей, удовлетворяющих Евро-2, вырос более чем в 3,3 раза. Заводчане стремятся добиться того, чтобы их продукция не только соответствовала по качеству зарубежным аналогам, но и была бы при этом на 10-15 % ниже их по своей цене. Для решения этой задачи в настоящее время полным ходом идёт внедрение новой производственной системы, основанной на принципах экономии.

 Новые дизели ЯМЗ уровня Евро-3

Модель

Параметры

Тип

Размерность,

S, мм

Рабочий объём, л

Ne, л. с.

Мкр max, Н·м

6561.10

V-6

130х140

11,15

330 (при 1900 мин-1)

1471 (при 1100-1350 мин-1)

658.10

V-8

130х140

14,86

420 (при 1900 мин-1)

1864 (при 1100-1350 мин-1)

6582.10

470 (при 1900 мин-1)

2158 (при 1100-1350 мин-1)

 Чтобы завод успешно функционировал, определён ряд приоритетных направлений. В частности, предстоит снизить убытки, прежде всего за счёт реорганизации литейного и кузнечного производств. В среднесрочной же перспективе предполагается начать изготовление двигателей, удовлетворяющих нормам Евро-3, а также освоить выпуск 14-ступенчатых механических коробок передач ЯМЗ-330, агрегатируемых с новыми дизелями ЯМЗ-6582.10. Кроме того, будет увеличено производство 9-ступенчатых КПП семейства ЯМЗ-239. Ведь именно на работу с ними рассчитаны недавно созданные «силачи» ЯМЗ-6561.10 и ЯМЗ-658.10.

Специалисты ОАО «Автодизель» также озабочены повышением конкурентоспособности своей продукции, что невозможно без приведения её в соответствие с жёсткими нормами Евро-3. Поэтому не случайно в составе экспозиции заводчан доминировали представители нового семейства ярославских двигателей. Оно было создано на основе дизелей ЯМЗ размерности 130х140 мм. Новые разработки, соответствующие Евро-3, должны «закрыть» диапазон мощности 300 – 470 л. с. В его состав войдут как 6-цилиндровые модификации (300-360 л. с.), так и 8-цилиндровые варианты (380 – 470 л. с.). Пока же на выставке были продемонстрированы лишь ЯМЗ-6561.10 (V-6, 330 л. с. при 1900 мин-1) и ЯМЗ-6582.10 (V-8, 470 л. с. при 1900 мин-1). Базовые 8-цилиндровые модели (ЯМЗ-658.10 и ЯМЗ-6582.10) уже прошли цикл сертификационных испытаний и получили в прошлом году международные и российские сертификаты соответствия Правилам № 49 ЕЭК ООН.

Выполнение требований Евро-3 потребовало проведения целого комплекса мероприятий. С целью совершенствования организации рабочего процесса была изменена конфигурация камеры сгорания. Значительным изменениям подверглись блок цилиндров, элементы цилиндропоршневой группы, система охлаждения.

Кроме того, заводчане внесли ряд изменений, связанных с адаптацией новой топливной аппаратуры. О новейших конструктивных решениях в этом направлении можно было узнать из выступления директора НТЦ дивизиона «Топливоподающие системы» ОАО «Автодизель» В. В. Курманова. В частности, он отметил, что методы понижения концентрации СН и СО, а также дымности и повышения топливной экономичности противоположны по своему эффекту методам снижения концентрации NOх, что препятствует уменьшению общей токсичности без ухудшения эффективных показателей двигателя.

Образование окислов азота NOх при сгорании топлива в цилиндре дизеля зависит от максимальной температуры рабочего цикла и избытка воздуха. При уменьшении угла опережения впрыска топлива снижаются скорость нарастания давления за период активного тепловыделения и температура, при которых протекают основные реакции окисления. Поэтому наиболее эффективным средством уменьшения содержания NOх считается смещение момента впрыска в сторону его запаздывания. При этом отрицательное влияние более позднего впрыска на топливную экономичность, дымность, а также содержание СО и СН можно компенсировать улучшением процесса смесеобразования, т. е. за счёт повышения интенсивности и давления впрыска топлива.

В связи с этим серьёзной модернизации была подвергнута топливная аппаратура. В первую очередь это коснулось ТНВД «Компакт-40», с помощью которого можно получить максимальное давление впрыска 145 МПа. При этом предполагается, что комплектация электронной системой управления частотой вращения коленвала двигателя обеспечит формирование необходимой характеристики топливоподачи в зависимости от скоростного режима, устойчивую работу дизеля на режиме холостого хода в зоне низких частот вращения коленвала. Кроме того, повышается точность дозирования цикловой подачи топлива по цилиндрам.

Таким образом, нормативы Евро-3 достигнуты в основном путём повышения качества распыливания топлива и сокращения общей продолжительности процесса сгорания за счёт повышения давления впрыска топлива и уменьшения пропускной способности распылителей форсунок.

В связи с этим следует отметить основные особенности форсунок ярославских двигателей уровня Евро-3. Так, например, уменьшены массы их подвижных деталей – пружины, штанги и иглы распылителя, что позволило не только снизить ударные нагрузки на запорный конус и его износ, но и повысить скорость подъёма иглы.

Конструктивному совершенствованию были подвергнуты и распылители форсунок. В частности, повышены точность и качество исполнения проточной части и соплового аппарата, что дало возможность уменьшить эффективное проходное сечение и снизить гидравлические потери. Количество распыливающих отверстий увеличено, что также улучшило качество распыливания. С целью повышения прочностных свойств корпуса распылителя была оптимизирована его химико-термическая обработка (цементация). Кроме того, корпус форсунки теперь обладает увеличенной толщиной стенки в зоне запорного конуса и распыливающих отверстий, что обеспечивает надёжность работы при давлениях впрыска до 150 МПа.

Одной из альтернатив рассмотренным мероприятиям развития топливной аппаратуры дивизиона «Топливоподающие системы» является установка столбиковых (UPS Bosch) или аккумуляторных (типа Common Rail) систем топливоподачи. В перспективе планируется выпуск всех моделей двигателей ЯМЗ уровня Евро-3 с различными топливоподающими системами по выбору заказчика.

Как видим, на прошедшей конференции были затронуты весьма актуальные проблемы, успешное решение которых поможет повысить потребительские свойства отечественных двигателей. Причём, как следует из выступлений участников мероприятия, интенсивные работы по совершенствованию конструкций моторов на ведущих двигателестроительных предприятиях идут полным ходом.

 

Юрий ПОЛЯКОВ