Этот мотор необычен во всём-в нём применяются сразу два новых цикла работы, он имеет повышенный на 20%(ориентировочно) КПД, меняется его конфигурация, система охлаждения, и даже моторное масло может стать иным. Меняется система нейтрализации выхлопных газов- не применяются дорогостоящие катализаторы. Исключается система EGR. Только топливо остаётся привычным-бензин марки 95.
Силовая установка-мягкий гибрид.
Самой сложной в изготовлении деталью является коленчатый вал, более сложными являются и распредвалы, в остальном этот мотор является относительно простым.
1. ЦИКЛЫ и ЛОГИКА РАБОТЫ ДВИГАТЕЛЯ. ПОВЫШЕНИЕ КПД МОТОРА.
Пожалуй это будет наиболее сложная часть статьи.
Для этих моторов V8, V12 все известные циклы работы бензинового 4-тактного двигателя объединяются в ЕДИНЫЙ!
ГЕОМЕТРИЧЕСКАЯ И РЕАЛЬНАЯ СТЕПЕНИ СЖАТИЯ.
Геометрическая степень сжатия( степень расширения газов на такте РХ) у этого мотора составляет 20. 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 10.
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.
(4+2)-ТАКТНЫЙ ЦИКЛ РАБОТЫ
Сразу же некоторые пояснения на примере (4+2)-тактного мотора R6 для того чтобы изначально снять вопросы и они не возникали по ходу прочтения статьи.
Цикл работы-первые 4 такта соответствуют работе обычного 4-х тактного мотора, после такта выпуска газов добавляются ещё 2 такта на впуск и выпуск воздуха для дополнительной продувки цилиндра и охлаждения стенок цилиндра, поршня, клапанов. Этот демпферный цикл охлаждения позволяет ориентировочно в 2 раза увеличить удельную мощность на такте РХ без ПЕРЕГРЕВА ДЕТАЛЕЙ ПГ, всё упирается лишь в механическую прочность деталей ПГ, тепловой режим работы не становится более напряжённым. Таким образом цилиндр за 6 тактов выдаёт ту же мощность что и 4-х тактный мотор за 8 тактов. В итоге удельная мощность мотора увеличивается ориентировочно в 1,33 раза при нормальном тепловом режиме работы двигателя.
Для мотора R6 всегда происходит такт РХ в одном из цилиндров, такт выпуска отработанных газов и такт выпуска разогретого чистого воздуха из цилиндра работающего на 6-м такте.
Название (4+2)-тактный цикл применяется для того чтобы не возникала путаница с другими 6-ти тактными циклами других авторов.
Конструктивно мотор R6 это растянутый R4 с кривошипами коленвала расположенными под углом 180 гр. относительно друг друга, как и на 4-х тактном рядном моторе. Рабочий ход через 180 градусов.
Степень сжатия ориентировочно около 20, существуют и некоторые 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.
Без решения вопросов по диаграмме фаз газораспределения это было бы невозможно и только после решения этой основной задачи стало возможным двигаться далее. В итоге получилось что максимально эффективными, сбалансированными, надёжными на данный момент времени являются бензиновые дефорсированные моторы с геометрической степенью сжатия 20 и ресурсом не менее 600 тыс.км. Конструктивно это R6, R8, R9, V8, V12. Для (4+2)-тактного мотора дефорсированный означает примерно 10 л.с. и 20 Нм на 100 куб.см его объёма. Всё в мире относительно.
Технически это реализуется очень просто- распредвалы вращаются с частотой в 3 раза меньшей чем коленчатый вал (у 4-тактных моторов в 2 раза меньшая частота). На распредвалах вместо одного кулачка вытачиваются два-они открывают впускные, выпускные клапана 2 раза за один цикл работы. Возможно справа, слева от основного(для симметричности давления на коромысло) выточить два более узких дополнительных, они и будут открывать впускной, выпускной клапана на 5 и 6 тактах.
Таким образом на распредвалах требуется выточить дополнительные кулачки для того чтобы степень расширения газов на такте РХ составляла 20, при реальной ССж 10 и дополнительные для перехода на (4+2)-тактный цикл работы.
Для более полной очистки поступающего в мотор воздуха применяется наддув на уровне 0,1 бар. Для этого используется нагнетатель с приводом от бортовой эл.сети на 48 В. Нагнетатель подаёт воздух в циклон, который производит предварительную очистку воздуха от пыли. Далее обычный воздушный фильтр нулевого сопротивления.
ЛОГИКА РАБОТЫ ДВИГАТЕЛЯ
Для начала производится прокрутка мотора в спарке с электродвигателем при нормальных условиях ( температура 20 гр. С, атмосферное давление 750 мм ртутного столба) и с шагом в 30 об/мин определяется масса заряда воздуха поступающего в цилиндры. Эти данные вносятся в электронный шаблон (прошивку) мотора, вместе с поправочными коэффициентами на изменение температуры и атмосферного давления за бортом авто.
Далее определяется заряд топлива подающегося в цилиндр для формирования ТВС в соотношении 14,7:1.
При этом полностью меняется логика работы двигателя-клапана всегда открываются при одних и тех же углах, меняется только заряд воздуха поступающего в цилиндры в зависимости от его температуры, атмосферного давления за бортом авто и количество впрыскиваемого 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. Горение топливно-воздушной смеси будет зависеть исключительно только от качества топлива. ТВС на прогретом моторе всегда формируется в соотношении 14,7:1. При прогреве мотора возможно применять ТВС 17:1, у неё выше температура горения, двигатель будет прогреваться быстрее. Система EGR не применяется.
Для (4+2)-тактного мотора с постоянным наддувом на уровне 0,1 бар и ССж 20 можно не применять цикл с разной геометрической и реальной ССж.
Заряд воздуха в цилиндре будет ориентировочно в 2 раза большим чем в атмосферном варианте при ССж 10, это примерно соответствует наддуву на уровне 1 бар. При изначальной ТВС 25:1 детонация бензина марки 95 не произойдёт, тем более что частота вращения коленвала у таких моторов ниже и сопоставима с дизелями. В этом случае распредвалы становятся менее сложными в изготовлении.
ПОВЫШЕНИЕ КПД МОТОРА
Очень значительная часть энергии сгоревшего топлива в моторе с КШМ тратится на стремление деформировать детали (на нагрев). Зависит это от конструктивных особенностей мотора. Прежде всего от длины шатуна относительно радиуса кривошипа.
Когда осуществляется преобразование ВРАЩАТЕЛЬНОГО движения в ВОЗВРАТНО-ПОСТУПАТЕЛЬНОЕ, то КТР по мере приближения к мёртвым точкам УМЕНЬШАЕТСЯ до нуля.
Подведём промежуточные итоги.
Кривошипно-шатунный механизм в процессе преобразования ВОЗВРАТНО-ПОСТУПАТЕЛЬНОГО движения в движение ВРАЩАТЕЛЬНОЕ при длинном шатуне передаёт на выходной вал не более 62% сил давления сгорающих газов при умеренно длинном(5R) шатуне и не более 53% при коротком(2R) шатуне.
Почти ПОЛОВИНА энергии давления сгорающих газов занимается тупой деформацией деталей двигателя!
СВЕРХПОЗДНЕЕ ЗАЖИГАНИЕ.
Первоначальный впрыск топлива производится на такте сжатия, после того как закроется выпускной клапан(клапаны). Формируется ТВС 25:1.
Зажигание ТВС происходит на такте РХ в момент когда поршень начал движение вниз, достаточно удалился от ВМТ и КТС уже значительно вырос. Примерно при угле 20 градусов от ВМТ. При угле около 30 градусов после ВМТ производится впрыск второй части топлива в цилиндр, так чтобы общее соотношение ТВС составляло 14,7:1.
Таким образом максимум давления газов внутри цилиндра смещается к точке когда КТС=1.
Это наиболее важное условие работы такого двигателя. Далее при движении поршня к НМТ давление газов будет снижаться, но это уже вторично. При этом значительно повышается КПД мотора поскольку пик крутящего момента смещается на участок с более высоким КТС.
Кроме того к моменту зажигания проходит некоторое время когда ТВС присутствует в цилиндре, поршень совершает движение вниз и сама ТВС становится более однородной.
При такой степени расширения ТВС успеет полностью сгореть.
КПД таких моторов предполагается значительно выше чем у современных образцов двигателей.
СИСТЕМА ЭКОНОМИИ ТОПЛИВА ПРИ НЕПОЛНОЙ НАГРУЗКЕ НА ДВИГАТЕЛЬ.
При неполной нагрузке на двигатель можно не подавать топливо 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 (4-х тактные).
НЕЙТРАЛИЗАЦИЯ ВЫХЛОПНЫХ ГАЗОВ.
Воздух разогретый в цилиндре на 5-6 тактах поступает сразу же в камеру дожига выхлопных газов, туда же поступают выхлопные газы из других цилиндров. В этой камере на раскалённых сетках происходит дожиг газов СН, СО, частиц углерода. Сетки изготавливаются из стали, с их гальваническим покрытием серебром, для предотвращения их окисления. Размещается камера в развале блоков мотора V8.
Стенки камеры двойные, из стали. Пространство между стенками вакуум.
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.Примерно раз в год или в зависимости от пробега заменять эту сухую смесь внутри глушителя-катализатора, это должно быть удобно делать.
КОЛЕНЧАТЫЙ ВАЛ, БЛОК ЦИЛИНДРОВ, КАРТЕР, ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ-ГЕНЕРАТОР
Собственно это очень необычное техническое решение-картер для всего мотора общий, в его центральной части расположено окно. Коленчатый вал проходит через весь двигатель и в его центральной части выполнена шестерня для передачи крутящего момента на главную передачу.
Два чугунных блока цилиндров с единым коленчатым валом. Два масляных насоса. Два цепных привода на валы ГРМ, с обоих оконечностей мотора. Частота вращения распредвалов в 3 раза меньше чем у коленчатого вала.
На одной из оконечностей мотора непосредственно на коленчатый вал одевается ротор электродвигателя-генератора на 48 В, он должен иметь бОльший диаметр для увеличения крутящего момента при работе в режиме стартера и бОльший момент инерции при его использовании в качестве маховика. Генератор и стартер становятся излишними.
Бортовая сеть на 48 В-четыре АКБ 6СТ-90 соединены последовательно и размещаются в теплоизолированном отсеке в багажнике авто. Их вес около 100 кг, ёмкость около 4,5 кВт*ч.
Два поперечных лонжерона в моторном отсеке служат для увеличения жёсткости кузова и для установки на них мотора. Между лонжеронами и мотором подушки с двух сторон по всей длине двигателя.
ЦИЛИНДРЫ, ПОРШНИ, КЛАПАНА, УНИФИКАЦИЯ МОТОРОВ
Сейчас это так:
Все перечисленные категории двигателей имеют одинаковые геометрические параметры, но кардинально иные материалы, используемые в изготовлении их компонентов.
А именно:
В UL (25d — 6 цилиндров), 18d, и т.д.) – поршни Mahle Серии 124, с содержанием меди в сплаве 0.6%, электромагнитные форсунки.
В OL (20d, 30d) — поршни Mahle Серии 148 с содержанием меди в сплаве 1.2%, пьезофорсунки, давление в топливной рейке 1800 Бар, шатуны и коленвалы из более прочных материалов.
У Top (23d, 35d, 50d) – поршни Mahle 174, и другие различия.
Тип 124 наиболее удобен и экономичен в производстве, так как благодаря низкому содержанию меди он единственный из перечисленных трех, который можно просто отлить.
Тип 148 изготавливается методом центробежного литья. uas.su/books/spesialmetho…orcasting/61/razdel61.php Это отнимает больше времени как при самом литье, так и при последующей обработке заготовки.
Поршень Тип 174 содержит 2% меди и 6% хрома и для получения ковкого сплава вместо простого литья тут необходимо использовать гораздо более сложный процесс наподобие лепки. Из получившейся заготовки потом выковывается уже собственно поршень. Такая многоступенчатость очень сильно удорожает конечное изделие.
СТАЛЬНЫЕ ПОРШНИ С ТЕПЛОВЫМ ЗЕРКАЛОМ
"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 сам поршень пройдёт менее половины от общего потока в сравнении с обычным исполнением поршня. В теории это так выглядит. Эффективно это для (4+2)-тактного цикла работы когда на 6-м такте воздух направляется на выпуск, необходимо определить дополнительно оптимальную толщину слоя нихрома и марку стали, толщину "сковороды".
Далее эскиз поршня:
1.Поршень
2. Одно, более широкое, компрессионное кольцо, с замком распределённым по окружности
3.Выпускной клапан
На такте РХ давление газов на поршень происходит по нормале к его поверхности и стенки поршня дополнительно прижимают компрессионное кольцо по направлению к стенкам цилиндра.
Замок компрессионного кольца распределённый по длине окружности более устойчив к прорыву газов через него.
УНИФИКАЦИЯ МОТОРОВ С РАЗЛИЧНЫМ ОБЪЁМОМ
Все моторы выпускаются с едиными блоками цилиндров, коленчатыми валами, шатунами. Отличие лишь в диаметре цилиндров и поршней. При степени сжатия 20 диаметры цилиндров объёмом 300, 400, 500 (возможно и 350, 450) кубических сантиметров не будут сильно разниться.
Единый для всех моторов электродвигатель-генератор
При увеличении удельной мощности на такте РХ лучше в шатунных и коренных шейках использовать двойные стальные подшипники скольжения (скольжение по скольжению), с виброобкаткой (хонингованием) их поверхности-на них значительно уменьшается риск образования задиров.
Скольжение это физическая величина.
где n1— это частота вращения коленчатого вала, n2 – частота вращения внутреннего подшипника скольжения.
В случае с двойными подшипниками скольжения внутренний подшипник скользит и относительно коленвала, и относительно внешнего подшипника.
Т.е. при вращении коленвала с частотой 3000 об/мин внутренний подшипник будет вращаться с частотой примерно 1500 об/мин относительно неподвижного внешнего подшипника скольжения и коленвал относительно внутреннего подшипника скольжения будет так же вращаться с частотой около 1500 об/мин.
Таким образом в работе находятся обе поверхности внутреннего стального подшипника скольжения, при этом частота вращения относительно его поверхностей снижается в 2 раза.
СИСТЕМА ОХЛАЖДЕНИЯ
1. НАДЁЖНОСТЬ
Для увеличения ресурса помпы и повышения надёжности системы охлаждения предлагается отказаться от использования ременного привода.
Привод помпы от бортовой эл.сети. Материал изготовления-сталь, чугун. Устанавливается помпа вертикально, в любом удобном месте. Весь вес её вращающихся частей приходится на нижний шаровой опорный подшипник.
Отсутствуют боковые нагрузки на вал помпы, это увеличивает её ресурс.
Дополнительно, параллельно устанавливается вторая помпа с меньшей производительностью. Она вводится в работу в условиях повышенной температуры воздуха и/или при напряжённом тепловом режиме работы двигателя. В условиях холодного пуска возможно дополнительная помпа обеспечит минимальную циркуляцию при прогреве ОЖ.
2. ЛОГИКА РАБОТЫ
Для увеличения ресурса мотора он должен как можно быстрее выходить на свою рабочую температуру и никогда не перегреваться.
Радиатор разделён 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.
Регулирование режимов работы системы охлаждения ступенчатое- 2 режима работы у каждой помпы (производительность дополнительной помпы примерно 40% от основной) и плюс к этому 3 режима работы радиатора. Основная помпа-2 режима 40 и 100% производительности, дополнительная 20 и 40% от производительности основной. Таким образом можно будет изменять производительность помп системы охлаждения в пределах от 20 до 140% с шагом в 20% и ориентироваться только на температуру ОЖ, поддерживать её в заданных пределах. Итого возможен 21 режим работы системы охлаждения.
Поскольку обе помпы не находятся в работе постоянно дополнительно растёт их ресурс.
3. ОХЛАЖДАЮЩАЯ ЖИДКОСТЬ
Возможно для такой "холодной" системы охлаждения использовать и иной состав ОЖ.
Идеальной видится ОЖ состоящая из изобутанола ( Т кип. 108 гр.С). Температура замерзания изобутанола минус 108 гр.С. Теплоёмкость изобутанола с ростом температуры плавно нарастает, так при 0 гр.С она составляет 53% от теплоёмкости воды, при 100 гр.С это уже 83%, при 150 гр.С -100%.
Т.е. при прогреве мотора увеличивается теплоёмкость ОЖ в нём, это хорошо. Коэффициент теплового объёмного расширения изобутанола примерно в 3 раза больший чем у воды, это следует учитывать.
"Изобутанол — бесцветная, нейтральная жидкость с характерным запахом. Он ограниченно смешивается с водой. Большинство органических растворителей смешивается с изобутанолом практически в любых соотношениях. Изобутанол легко растворяет большинство натуральных и синтетических смол. Он удовлетворительно растворяет воски только при нагревании. В изобутаноле нерастворимы сложные и простые эфиры целлюлозы, природный каучук, неопрен, уксусная кислота пищевая и полимеры, такие как полистирол и поливинилхлорид."
Коэффициент объёмного расширения изобутанола примерно в 3 раза выше чем у воды, это следует учитывать.
4. ПРИСАДКИ в ОЖ
"Преимущества карбоксилатов. Карбоксилаты защищают металлические детали, в том числе алюминиевые, образуя на поверхности металлов окисную пленку толщиной в одну молекулу – 0,0006 мм, причем только в зонах, подверженных вредному воздействию кавитации и коррозии. На остальных теплопередающих поверхностях защитный слой, ухудшающий теплоотвод, не формируется. Благодаря «адресной» защите, а также тому, что эта реакция обратимая, присадки-карбоксилаты расходуются намного медленнее, чем нитриты, и следовательно, не нуждаются в постоянных проверках и пополнении. Карбоксилатные антифризы не образуют в процессе эксплуатации гелей и осадка, которые ухудшают теплообмен. К тому же отсутствие в составе нитритов помогает избежать образования аммония и увеличения кислотности (pH). Карбоксилатные антифризы неагрессивны по отношению к пластиковым, эластомерным, резино-силиконовым и другим материалам, используемым в системе охлаждения.
Подчеркнем, что, по мнению некоторых специалистов, карбоксилаты могут обеспечивать необходимую защиту от кавитации лишь при условиях, когда антифриз будет иметь предписанный уровень содержания присадок-карбоксилатов и воды и не будет разбавлен антифризами других марок выше допустимого предела."
МОТОРНОЕ МАСЛО
Оно задумывалось именно для таких моторов и отличается высокими эсксплуатационными свойствами и относительно низкой ценой. Оно обеспечивает: - сокрашение потерь на трение и повышение ресурса деталей и механизмов - облегчённые зимние пуски
- обладает прекрасными моющими свойствами на протяжении всего срока службы (не менее 10 тыс.км пробега)
Состав:
1. До 15% ПАО с вязкостью при 100 гр. С 30-60 сСт, замена модификатору вязкости
2. 70-80% базового масла I-III групп
3. Около 10% чистого диэстерового (полиэстерового) масла.
4.Пакет присадок
В отличие от ПАО, эстеры оказывают на РТИ обратное воздействие – приводят к их размягчению и набуханию.
Таким образом ПАО и диэстеры(полиолэстеры) прекрасно дополняют друг друга.
В итоге возможно получение УНИВЕРСАЛЬНЫХ МОТОРНЫХ МАСЕЛ 0-20, 0-30 и 0-40
Для масла 0-30 вязкость при 100 гр.С около 12 сСт, для 0-40 примерно 16 сСт
Зимой на этих маслах облегчённые пуски, летом они проходят по верхней границе вязкости.
Диэстеры(полиолэстеры) сохраняют свои моющие и смазывающие(противоизносные) свойства весь срок работы моторного масла, вне зависимости от его деградации.
Но всё это возможно лишь при производстве моторных масел.
Ссылка на полную статью о таком моторном масле: https://www.drive2.ru/l/720586386813497569/
Конечно рассказать обо всех тонкостях такого мотора в одной статье невозможно, но и этого вполне достаточно.