Вообще конечно всё это подходит и для 4-х цилиндровых моторов, особенно если их уравновесить. Так в моторе B47D20 Х2 для устранения вибрации и уравновешивания инерционных сил 2-го порядка установлены два балансирных вала
Этот мотор объединяет в себе циклы работы Отто, Аткинсона и Миллера- такая вот сказка для уже взрослых мальчиков.
Он во многом похож на "холодный" дизельный двигатель, но это абсолютно разные моторы.
Были найдены 2 новых технических решения которые позволяют объединить в 4-х тактном бензиновом моторе практически всё что было наработано для (4+2)-тактных дизельных моторов, за исключением особого режима прогрева при пуске двигателя в холода(бензиновому мотору это не особо требуется).Конструктивно мотор получается достаточно простым.
Общие особенности этих моторов ( далее будет рассматриваться двигатель R6):
1. Блок цилиндров, головка блока чугунные.
2.Геометрическая степень сжатия(степень расширения газов на такте РХ) 17-18
3.Реальная степень сжатия 9-12
4. Двигатель с наддувом
5.Система EGR не применяется
6.Изменяется система нейтрализации выхлопных газов, не применяются катализаторы с драгметаллами.
7.Силовая установка гибридная, ёмкость АКБ 48В составляет примерно 5 кВт*ч
8.В моторе снижаются внутренние потери на трение (растёт его КПД)
9.Вводится система экономии топлива при неполной нагрузке на двигатель.
10.Меняется система охлаждения двигателя, она становится более надёжной и эффективной.
11. Дополнительно применяется особый масляный радиатор для охлаждения(летом) и прогрева(зимой) моторного и трансмиссионного масел.
12.Возможно изменение конструкции клапанов.
БЛОК ЦИЛИНДРОВ
Практически весь двигатель должен состоять из чугуна и стальных деталей-именно так можно добиться отсутствия лишних сжатий и расширений деталей при различных температурных режимах, лишнего износа и более полного удаления частиц износа из моторного масла.
Пара трения поршень, цилиндр-гильзы(стандартно из чугуна) и компрессионные кольца возможно из одной марки стали, стенки гильзы с лазерным хонингованием.Это позволит уменьшить вязкость моторного масла (увеличится КПД).Существуют и некоторые достаточно простые технические решения позволяющие снизить ударные нагрузки на детали ПГ при увеличении степени сжатия мотора, а также уменьшить неравномерную выработку и образование эллипса- всё это достигается без значительного усложнения конструкции мотора и без снижения его надёжности.
Шатунные и коренные подшипники скольжения (вкладыши) предполагается использовать из стали, но двойные для уменьшения потерь на трение(скольжение по скольжению), с их виброобкаткой(хонингованием), на них меньше риск возникновения задиров и стальные микрочастицы легче удалять из моторного масла.Предполагается использовать масляный фильтр с постоянным неодимовым магнитом и сменным пластиковым картриджем для более полного улавливания в нём стальных частиц (с возможностью, при необходимости, их дальнейшего анализа).
ГЕОМЕТРИЧЕСКАЯ И РЕАЛЬНАЯ СТЕПЕНИ СЖАТИЯ.
Геометрическая степень сжатия( степень расширения газов на такте РХ) у этого мотора составляет 17-18. Это позволяет более эффективно использовать энергию сгоревшего топлива. Реальная степень сжатия обычно определяется углами открытия-закрытия впускных клапанов и количеством попавшего в цилиндр воздуха. Реальная степень сжатия у этого мотора находится в пределах 9-12 и несколько зависит от частоты вращения коленвала (распредвалов).
Реальная ССж в этом моторе регулируется выпускными клапанами, впускные клапана работают как и обычно.В начале такта сжатия выпускные клапана(клапан) находятся в приоткрытом положении и выпускают часть воздуха при начале движения поршня вверх.
Для этого на распредвале достаточно дополнительно выточить два более узких кулачка (справа, слева от основного, для симметричности давления на коромысло) которые дополнительно приоткрывают выпускные клапана(клапан) на непродолжительное время в начале такта сжатия.
Сразу же исчезают всякие проблемы с воспламенением ТВС-применяется обычное искровое зажигание. Наддув может не применяться, наполнение цилиндра воздухом максимально полное-избыток воздуха в начале такта сжатия выпускается из цилиндра.
НАДДУВ
Современные технологии позволяют уже сейчас значительно увеличить ресурс моторов, особенно если применить некоторые новые технические решения.Прежде всего двигатель должен минимальное время прогреваться до своей рабочей температуры и никогда не перегреваться.Решения когда прогрев двигателя и начало движения происходят на обеднённой смеси позволяют мотору быстрее прогреться и уберегают его от лишней нагрузки.Этому же способствует радиатор разделённый на 2 части в пропорции 1/3 к 2/3, в дополнение к этому применение шторок радиатора, иная схема расположения, работы радиатора ОЖ и интеркулера. Износ деталей повышенный часто возникает по причине попадания частиц пыли, песка в двигатель вместе с воздухом, топливом или маслом(чаще с воздухом).Предполагается предварительная очистка воздуха циклоном(привод от бортовой эл.сети), он же и создаёт давление наддува, далее обычный воздушный фильтр( фильтр нулевого сопротивления). Для мотора с такой высокой ССж давление наддува не будет превышать 0,4 бар. Особое внимание следует обратить и на очистку топлива от посторонних частиц, улучшить по возможности степень очистки.Качество топлива попадающего в мотор один из наиболее важных факторов.
Особенностью является то что давление наддува не зависит от частоты вращения двигателя, в такой компоновке это определяется только режимом работы циклона, т.е. возможно его изменять в зависимости от выбранного режима работы двигателя (прогрев, эко, нормальный, спортивный). В одном и том же двигателе возможна работа его в варианте атмосферного(Р=0,05-0,1 бар), "атмосферного с большей подачей воздуха (Р=0,2 бар)", "полутурбированного (Р=0,3 бар)" и турбированного(Р=0,4 бар), где Р- давление наддува для этого двигателя при различных режимах его работы.Таким образом получаются несколько разных двигателей "проживающих" в одном корпусе и обладающих разными повадками от "тихони" до "зверя".Полное давление наддува для двигателя с такой степенью сжатия скорее всего будет где то в районе 0,4 бар, надо нащупать "золотую середину" когда на максимальном наддуве возможно получить от двигателя высокую отдачу без риска возникновения детонации и без значительного ограничения частоты его вращения при сохранении ресурса двигателя.Менее напряжённые режимы отстроить будет проще.
Кроме того масса заряда воздуха поступающего в цилиндр зависит от его температуры, в условиях нашей страны это очень большой разброс зимних и летних температур и вполне логично несколько изменять давление наддува в зависимости от этого или при естественном изменении атмосферного давления (например при движении в горах), такая возможность есть.Это уже нюансы, но достаточно важные-при выбранном режиме работы двигателя с постоянным зарядом воздуха поступающего в цилиндры имеется возможность перевода работы двигателя на обеднённую топливно-воздушную смесь(с изменением угла опережения зажигания).
2 последовательных циклона с небольшим давлением наддува (суммарно не более 0,4 бар) решают сразу несколько задач:
1.Предварительная очистка воздуха от пыли с эффективностью не менее 95%. Первый циклон производит грубую очистку воздуха от пыли(крупные частицы), второй циклон тонкую. Далее воздушный фильтр нулевого сопротивления.
2. Масса заряда воздуха попадающего в цилиндры остаётся постоянной на любых оборотах мотора и выбирается вручную при выборе режима движения.
3.Циклоны с нагнетателями более просты и надёжны в сравнении с турбиной, привод от бортовой эл.сети.
При этом может полностью поменяться логика работы двигателя на различных режимах-клапана всегда открываются при одних и тех же углах, меняется только заряд воздуха поступающего в цилиндры в зависимости от выбранного режима работы двигателя и количество впрыскиваемого топлива.Для режимов "прогрев" и "эко" это это должно формировать обеднённую смесь, для режимов "нормальный" и "спорт" нужно будет определять оптимальные соотношения, т.е. количество требуемого топлива.Таким образом система изменения фаз газораспределения становится лишней, конструкция двигателя упрощается, надёжность возрастает.Датчики кислорода при такой логике работы не используются, они будут только мешать-заряд воздуха поступающего в цилиндр выбирается вручную при выборе режима работы двигателя, далее он остаётся постоянным на любых оборотах мотора, соответственно и не меняется количество топлива подающегося в цилиндр.Горение топливно-воздушной смеси будет зависеть исключительно только от качества топлива, но обогащённая смесь формироваться точно не будет, даже в спортивном режиме.Система EGR не применяется.
НЕЙТРАЛИЗАЦИЯ ВЫХЛОПНЫХ ГАЗОВ.
Выхлопные газы поступают сразу же из цилиндров в камеру дожига с установленными в ней сетками из стали с их гальваническим покрытием серебром(для предотвращения окисления), размещается в развале блоков цилиндров для мотора V8. В эту же камеру для продолжения реакций окисления подаётся часть чистого разогретого воздуха из цилиндра работающего на такте сжатия, таким образом практически все газы СО, СН и углерод полностью выгорают.
Далее выхлопные газы вместе с окислами серы и азота поступают в относительно объёмный глушитель-катализатор( функции совмещены). Окислы азота и серы в нём пропускаются через смесь карбоната и гидрокарбоната кальция (очень дешёвый компонент), при этом окислы азота и серы свяжутся и войдут в состав солей кальция или через смесь частиц железа и оксида железа (Fe2O3) с образованием солей железа, можно использовать для этого оксиды цинка и алюминия или различные по пропорциям сочетания этих веществ, так чтобы кислотные оксиды из выхлопа связывались в соли в широком температурном диапазоне.Возможно введение в состав смеси и гранул мочевины( до 40-60% по массе)-в выхлопных газах всегда присутствуют пары воды, они увеличивают интенсивность протекания реакций нейтрализации. В теории так получается(из школьного курса химии), специалисты более предметно смогут произвести расчёты и оптимизировать процессы. В результате получится дёшево, без использования в катализаторах драгметаллов.
ГИБРИДНАЯ СИЛОВАЯ УСТАНОВКА.
1.Эл.двигатель-генератор.
Более простым и надёжным является решение когда коленвал выходит несколько за пределы корпуса двигателя и на него одевается съёмный ротор эл.двигателя-генератора. При этом отсутствуют муфты, вал может иметь шестигранную( звездообразную) форму для удобства посадки на него ротора. Ротор эл.двигателя-генератора должен иметь больший диаметр для увеличения момента инерции и крутящего момента при работе в режиме стартера. Увеличенный момент инерции позволит использовать эл.двигатель-генератор в качестве маховика. Мощность эл.Д-Г рассчитывается под конкретную машину, мотор, используемое электрооборудование.
2. Помпа.
Привод помпы от бортовой эл.сети- обрыв ремня, его растяжение никак не скажутся на работе помпы.Помпа устанавливается вертикально( в любом удобном месте), весь вес её вращающихся частей приходится на нижний шаровой опорный подшипник. Все части помпы выполнены из чугуна и стали.
Возможна и установка параллельно второй дополнительной помпы с меньшей производительностью-она вводится в работу в условиях недостаточного охлаждения мотора (жара, пробки) и/или при работе мотора с повышенной нагрузкой. При пуске двигателя в морозы возможно первое время именно дополнительная помпа обеспечит минимальную циркуляцию.(об этом уже говорилось в ранее опубликованной статье).
3.Валы ГРМ.
Привод валов зубчатой передачей. Для этого на ротор эл.двигателя-генератора дополнительно устанавливается зубчатый венец(дополнительно увеличивается момент инерции ротора). Распредвалы ГРМ с шестернями. Между шестерней распредвала и зубчатым венцом ротора эл.Д-Г устанавливается промежуточная шестерня( две шестерни).Поскольку крутящий момент для вращения распредвалов требуется не самый большой промежуточные шестерни могут быть сделаны в виде венца с 3-4 лучами сходящимися к центру.
Всё становится простым, надёжным, лаконичным.
Отсутствуют натяжители, успокоители (для цепного привода).Отпадает необходимость в установке стартера и маховика.
СИСТЕМА ЭКОНОМИИ ТОПЛИВА ПРИ НЕПОЛНОЙ НАГРУЗКЕ НА ДВИГАТЕЛЬ.
При неполной нагрузке на двигатель можно не подавать топливо и напряжение на свечу каждый 30,24,20,16 и т.д. раз в зависимости от текущей нагрузки, не подряд, а равномерно по всему полному циклу, насколько это возможно.Это реально снизит расход топлива, все цилиндры будут в работе, т.е. сохранится равномерный тепловой режим работы двигателя в отличие от решений когда для экономии топлива выводят полностью из работы один или даже два цилиндра.В настоящее время и трёхцилиндровые двигатели выпускаются, по моему мнению это глубоко ошибочное решение, двигатель должен быть полностью уравновешен-как пример рядные 6-ти цилиндровые.
"ТЕПЛОВОЕ ЗЕРКАЛО"
Зеркало-"сковорода" поршня слой стали толщиной 4-6 мм, потом слой нихрома (теплопроводность в 3-4 раза ниже чем у сталей, коэффициент теплового линейного расширения близок к сталям), толщина слоя около 1 мм, затем стальное тело поршня. "Тепловое зеркало" формируется между стальной сковородой и нихромом.
При температуре 300-400 гр.С сталь (в зависимости от марки) обладает теплопроводностью примерно в 3-4 раза большей чем нихром и на поверхности их сопряжения должно возникнуть своеобразное тепловое "зеркало". Т.е. значительная часть теплопередачи происходит по контуру горячие газы => стальная "сковорода" =>холодный воздух на внешней поверхности поршня, оставшаяся часть теплового потока идёт по пути "сковорода"=>нихром, при этом на поверхности внутреннего теплового перехода возникает ситуация когда значительная часть теплового потока возвращается в направлении внешнего стального слоя поршня .В итоге через такой поршень пройдёт значительно меньший тепловой поток в сравнении с обычным исполнением поршня. В теории это так выглядит.
Для увеличения ресурса мотора он должен как можно быстрее выходить на свою рабочую температуру и никогда не перегреваться. Предлагаемые решения достаточны просты, они не усложняют двигатель, но повышают надёжность, эффективность работы его системы охлаждения. Часть решений давно уже используется на авто, однако оптимальным является их совместное применение.
1. Радиатор разделённый на 2 части в пропорции 1/3 к 2/3-при прогреве двигателя последовательно вводятся в работу его части.
Логика работы-после пуска двигателя два термостата закрыты, но присутствует минимальная циркуляция по обводному каналу с малым сечением в части радиатора с объёмом 1/3 от общего. Делается это для того чтобы ОЖ в нём постепенно разогревалась и для того чтобы даже при неисправности термостата сохранялась минимальная циркуляция.
При открытии 1-го термостата открывается обводной канал 2-го термостата и начинается минимальная циркуляция в радиаторе с объёмом 2/3 от общего.
Возможно вместо термостатов использовать только датчики температуры ОЖ и 2 надёжных эл.магнитных клапана.
2.Применяются шторки радиатора, это не является чем то новым.
3.Возможно изменить и место установки радиатора, интеркулера.
Воздухозаборники находятся в районе фар и оснащаются шторками.В их открытом положении поток воздуха проходит над колёсными арками и далее попадает в полость расширения. Весь мусор, пыль вылетают по направлению движения воздушного потока за пределы авто (под днище?).
В полости расширения размещается внешняя плоская(гофрированная?) поверхность радиатора ОЖ и интеркулера (каждый по своему борту) движение воздушного потока происходит в параллельной плоскости(возможно и под небольшим углом).Воздушное сопротивление и вероятность повреждения поверхности радиатора при этом минимальны, площадь поверхности радиатора(интеркулера) в значительно меньшей степени влияет на величину воздушного сопротивления. Воздушный поток с двух сторон обтекает поверхность радиатора(интеркулера).
Движение ОЖ в радиаторе происходит по широким внутренним каналам, образованным внутренними перегородками, возможно изготовление радиатора из нержавеющей стали.
МАСЛЯНЫЙ РАДИАТОР.
Дополнительно для прогрева моторного и трансмиссионного масел можно использовать иной масляный радиатор.
Обычно масляный радиатор выполняет только одну задачу-охлаждает моторное масло.
Однако принципиально существуют две противоположные задачи-зимой при пуске мотора и начале движения масло очень желательно как можно быстрее прогреть, а летом в условиях повышенной нагрузки на мотор и росте температуры масла охладить.
Масляный радиатор и магистрали к нему обладают некоторым внутренним объёмом, это увеличивает объём масляной системы в целом, для мотора это полезно.
Что предлагается?- Для прогрева моторного масла использовать повышенную температуру выхлопных газов, для охлаждения пониженную температуру воздуха за бортом авто.
Воздух и выхлопные газы движутся по внутренней трубе (с оребрением) масляного радиатора. Две задвижки на входе и выходе определяют по какому из контуров открыт путь: либо выхлопные газы поступают прямо из мотора во внутренний контур радиатора и далее направляются к катализаторам (уже менее горячие), либо поступает атмосферный воздух и после прохождения радиатора он возвращается в атмосферу.
Второй контур масляного радиатора заполняется охлаждающей жидкостью. Это отдельный контур, никак не связанный с системой охлаждения мотора и имеющий дополнительно только небольшой расширительный бачок и свой датчик температуры для того чтобы температура ОЖ никогда не превышала 95 гр. С.
Охлаждающая жидкость это своеобразный тепловой демпфер между выхлопными газами и моторным маслом.
Третий контур собственно для моторного масла, он имеет только один клапан с двумя положениями-открыт, закрыт. В зависимости от температуры масла в системе и от температуры ОЖ в масляном радиаторе он открывается и закрывается.
Материал изготовления масляного радиатора-нержавеющая сталь. Конструктивно это 3 трубы с внутренним оребрением.Всё как бы очень просто.
Дополнение: этот же радиатор можно использовать и для прогрева, охлаждения трансмиссионного масла АКПП, добавить дополнительный объём и для него в 3-ем контуре.
Поскольку объём ОЖ в радиаторе незначителен прогрев будет происходить достаточно быстро.Возможно использовать и гофрированную форму труб радиатора.
ИЗМЕНЕНИЕ КОНСТРУКЦИИ КЛАПАНОВ.
Применение клапанов для впуска воздуха в цилиндр и выпуска газов является настолько привычным и отработанным что как бы и мыслей не возникает что можно какое то другое решение для этого использовать.
Однако такое решение существуют-оно достаточно просто и эффективно(на мой взгляд), но пока в полной мере не отработано, является "сырым" .
О чём речь?-Впуск в цилиндр применить щелевой-впускной клапан вынести за пределы вертикальной проекции цилиндра (это позволит увеличить его площадь).При щелевом впуске под некоторым углом будет дополнительно происходить завихрение воздуха в цилиндре, что как раз улучшает смесеобразование.На впуске клапан может быть нестандартным по своей форме, при своём закрытии он и запирает впускной канал ( щель)
Выпускной клапан только один, большего диаметра, расположен в вертикальной проекции цилиндра.
Таким образом в этих двигателях должны сочетаться лучшие качества бензиновых и дизельных моторов.
Частота вращения и удельный крутящий момент будут близки дизельным моторам.
Отдельно статья о формировании ТВС для бензиновых моторов с высокой степенью сжатия: https://www.drive2.ru/l/608014263193175353/
Отдельно статья о модернизированном цепном приводе ГРМ: https://www.drive2.ru/l/610147315751075265/
