Honda lead 50 ограничивающая втулка на вариаторе

Без двигателя нет движения а следовательно нет автомобиля

Двигатель – самая важная из систем автомобиля. Без двигателя нет движения, а следовательно нет автомобиля. По аналогии со строением человека, двигатель – сердце автомобиля.

В соответствии с предназначениемдвигатель является источником механической энергии, необходимой для движения автомобиля. Для того, чтобы получить механическую энергию, в двигателе автомобиля преобразуется другой вид энергии (энергия сгорания топлива, электрическая энергия и др.). Источник энергии при этом должен находиться непосредственно на автомобиле и периодически пополняться.

Передача механической энергии от двигателя на ведущие колесаосуществляется через трансмиссию. Конструктивное объединение двигателя и трансмиссии носит устоявшееся название силовая установка.

В зависимости от вида преобразуемой энергии различают следующие основные виды автомобильных двигателей:

  1.  двигатели внутреннего сгорания (сокращенное наименование ДВС);
  2.  электродвигатели;
  3.  комбинированные двигатели, т.н. гибридные силовые установки.

Двигатель внутреннего сгорания преобразует химическую энергию сгорающего топлива в механическую работу. Известными типами ДВС являются:

  1.  поршневой двигатель;
  2.  роторно-поршневой двигатель;
  3.  газотурбинный двигатель.

На современных автомобилях наибольшее распространение получилипоршневые двигатели внутреннего сгорания, использующие в качестве источника энергии жидкое топливо (бензин, дизельное топливо) или природный газ.

Автомобиль, использующий в качестве двигателя электродвигатель, называется электромобилем. Для работы электродвигателя требуется электрическая энергия, источником которой могут бытьаккумуляторные батареи или топливные элементы. Основным недостатком электромобилей, ограничивающим их широкое применение, является небольшая емкость источника электрической энергии и соответственно низкий запас хода.

Гибридная силовая установка объединяет двигатель внутреннего сгорания и электродвигатель, связь которых осуществляется через генератор. Передача энергии на ведущие колеса в гибридном автомобиле может производиться последовательно (ДВС – генератор – электродвигатель – колесо) или параллельно (ДВС – трансмиссия – колесо и ДВС – генератор – электродвигатель – колесо). Предпочтительной является параллельная компоновка гибридной силовой установки.

В настоящее время двигатель внутреннего сгорания является основным видом автомобильного двигателя. Двигателем внутреннего сгорания (сокращенное наименование – ДВС) называется тепловая машина, преобразующая химическую энергию топлива в механическую работу.

Различают следующие основные типы ДВС:

  1.  поршневой двигатель внутреннего сгорания;
  2.  роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания;
  3.  газотурбинный двигатель внутреннего сгорания.

Из представленных типов двигателей самым распространенным является поршневой ДВС, поэтому устройство и принцип работы рассмотрены на его примере.

Достоинствами поршневого двигателя внутреннего сгорания, обеспечившими его широкое применение, являются:

  1.  автономность;
  2.  универсальность (сочетание с различными потребителями);
  3.  невысокая стоимость;
  4.  компактность;
  5.  малая масса;
  6.  возможность быстрого запуска;
  7.  многотопливность.

Вместе с тем, двигатели внутреннего сгорания имеют ряд существенных недостатков, к которым относятся:

  1.  высокий уровень шума;
  2.  большая частота вращения коленчатого вала;
  3.  токсичность отработавших газов;
  4.  невысокий ресурс;
  5.  низкий коэффициент полезного действия.

В зависимости от вида применяемого топлива различают следующие поршенвые ДВС:

  1.  бензиновые двигатели;
  2.  дизельные двигатели.

Альтернативными видами топлива, используемыми в двигателях внутреннего сгорания, являются природный газ, спиртовые топлива – метанол и этанол, водород.

Водородный двигатель с точки зрения экологии является перспективным, т.к. не создает вредных выбросов. Наряду с ДВС водород используется для создания электрической энергии в топливных элементах автомобилей.

Поршневой двигатель внутреннего сгорания имеет следующее общееустройство:

  1.  корпус;
  2.  кривошипно-шатунный механизм;
  3.  газораспределительный механизм;
  4.  впускная система;
  5.  топливная система;
  6.  система зажигания (бензиновые двигатели);
  7.  система смазки;
  8.  система охлаждения;
  9.  выпускная система;
  10.  система управления.

Корпус двигателя объединяет блок цилиндров и головку блока цилиндров. Кривошипно-шатунный механизм преобразует возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение коленчатого вала. Газораспределительный механизмобеспечивает своевременную подачу в цилиндры воздуха или топливно-воздушной смеси и выпуск отработавших газов.

Впускная система предназначена для подачи в двигатель воздуха.Топливная система питает двигатель топливом. Совместная работа данных систем обеспечивает образование топливно-воздушной смеси. Основу топливной системы составляет система впрыска.

Система зажигания осуществляет принудительное воспламенение топливно-воздушной смеси в бензиновых двигателях. В дизельных двигателях происходит самовоспламенение смеси.

Система смазки выполняет функцию снижения трения между сопряженными деталями двигателя. Охлаждение деталей двигателя, нагреваемых в результате работы, обеспечивает система охлаждения. Важные функции отвода отработавших газов от цилиндров двигателя, снижения их шума и токсичности предписанывыпускной системе.

Система управления двигателем обеспечивает электронное управление работой систем двигателя внутреннего сгорания.

Принцип работы двигателя внутреннего сгорания основан на эффекте теплового расширения газов, возникающего при сгорании топливно-воздушной смеси и обеспечивающего перемещение поршня в цилиндре.

Работа поршневого ДВС осуществляется циклически. Каждый рабочий цикл происходит за два оборота коленчатого вала и включает четыре такта (четырехтактный двигатель):

  1.  впуск;
  2.  сжатие;
  3.  рабочий ход;
  4.  выпуск.

Во время тактов впуск и рабочий ход происходит движение поршня вниз, а тактов сжатие и выпуск – вверх. Рабочие циклы в каждом из цилиндров двигателя не совпадают по фазе, чем достигается равномерность работы ДВС. В некоторых конструкциях двигателей внутреннего сгорания рабочий цикл реализуется за два такта – сжатие и рабочий ход (двухтактный двигатель).

На такте впуск впускная и топливная системы обеспечивают образование топливно-воздушной смеси. В зависимости от конструкции смесь образуется во впускном коллекторе (центральный и распределенный впрыск бензиновых двигателей) или непосредственно в камере сгорания (непосредственный впрыск бензиновых двигателей, впрыск дизельных двигателей). При открытии впускных клапанов газораспределительного механизма воздух или топливно-воздушная смесь за счет разряжения, возникающего при движении поршня вниз, подается в камеру сгорания.

На такте сжатия впускные клапаны закрываются, и топливно-воздушная смесь сжимается в цилиндрах двигателя.

Такт рабочий ход сопровождается воспламенением топливно-воздушной смеси (принудительное или самовоспламенение). В результате возгорания образуется большое количество газов, которые давят на поршень и заставляют его двигаться вниз. Движение поршня через кривошипно-шатунный механизм преобразуется во вращательное движение коленчатого вала, которое затем используется для движения автомобиля.

При такте выпуск открываются выпускные клапаны газораспределительного механизма, и отработавшие газы удаляются из цилиндров в выпускную систему, где производится их очистка, охлаждение и снижение шума. Далее газы поступают в атмосферу.

Рассмотренный принцип работы двигателя внутреннего сгорания позволяет понять, почему ДВС имеет небольшой коэффициент полезного действия - порядка 40%. В конкретный момент времени как правило только в одном цилиндре совершается полезная работа, в остальных – обеспечивающие такты: впуск, сжатие, выпуск.

Среди поршневых двигателей внутреннего сгорания в настоящее время наиболее распространен бензиновый двигатель. В бензиновом двигателе воспламенение топливно-воздушной смеси происходит принудительно за счет электрической искры.

Основными направлениями совершенствования бензиновых двигателей являются:

  1.  снижение расхода топлива;
  2.  снижение токсичности отработавших газов;
  3.  повышение мощности двигателя.

Для реализации этих требований на современных бензиновых двигателях применяются следующие системы:

Система непосредственного впрыска обеспечивает впрыск топлива непосредственно в камеру сгорания. В зависимости от режима работы двигателя регулируется количество впрыскиваемого топлива, момент впрыска и образуются разные виды топливно-воздушной смеси (послойная, гомогенная, стехиометрическая гомогенная).

Современная впускная система характеризуется дроссельной заслонкой с электрическим приводом и впускными заслонками на каждый цилиндр. Впускные заслонки разделяют поток воздуха на два канала – свободный и перекрываемый заслонкой. Закрытые впускные заслонки обеспечивают послойное смесеобразование за счет вихревого движения воздуха в камере сгорания.

Турбонаддув является достаточно эффективной системой повышения мощности бензинового двигателя, основывающейся на сжатии всасываемого воздуха с помощью энергии отработавших газов. Вместе с тем, применение турбонаддува на бензиновых двигателях ограничено возможностью наступления детонации.

Система изменения фаз газораспределения обеспечивает эффективную работу газораспределительного механизма в разных режимах работы двигателя (холостой ход, низкие обороты, высокие обороты). В различных конструкциях систем эффект достигается за счет изменения момента открытия (закрытия) клапанов, продолжительности их открытия, а также высоты подъема.

Наиболее совершенной системой воспламенения топливно-воздушной смеси бензинового двигателя является электронная система зажигания, в которой создания и распределение тока высокого напряжения по цилиндрам двигателя осуществляется посредством электронных компонентов – датчиков и блока управления.

Выпускная система помимо выпуска отработавших газов в значительной степени снижает и их токсичность. Эту функцию в системе выполняет каталитический нейтрализатор, работающий под управлением кислородного датчика – лямбда-зонда.

Снижению токсичности отработавших газов способствует система рециркуляции отработавших газов. Система уменьшает содержание в отработавших газах оксида азота путем возврата их части во впускной коллектор.

Система управления двигателем объединяет работу всех перечисленных систем, обеспечивая их оптимальное функционирование на всех режимах работы двигателя.

Благодаря высокой эффективности дизельный двигатель широко применяется на грузовых автомобилях. Вместе с тем, большинство легковых автомобилей имеют в линейке своих моторов дизельные двигатели. В Европе дизель постепенно вытесняет бензиновые двигатели, к примеру, свыше 50% новых легковых автомобилей там имеют дизельный двигатель.

На легковых автомобилях используются быстроходные дизели, обладающие высокой эластичностью, т.е. способностью развивать номинальный крутящий момент в широком диапазоне частот вращения коленчатого вала.

Принцип работы дизельного двигателя основан на самопроизвольном (компрессионном) воспламенении дизельного топлива, впрыскиваемого в камеру сгорания и смешиваемого со сжатым и нагретым до высокой температуры воздухом. В отличие от бензинового двигателя процесс работы дизеля не зависит от коэффициента избытка воздуха, а определяется гетерогенностью (неоднородностью) топливно-воздушной смеси.

Дизельный двигатель имеет ряд отличительных особенностей:

  1.  имеет большую степень сжатия и как следствие более высокий коэффициент полезного действия, больший вес и габариты, низкий расход топлива;
  2.  имеет низкие обороты коленчатого вала и как следствие меньшую удельную мощность, сопровождаемые неполным сгоранием топлива, сажеобразованием;
  3.  не имеет дроссельной заслонки, поэтому развивает высокий крутящий момент на низких оборотах;
  4.  имеет сложную конструкцию топливной аппаратуры и как следствие высокую чувствительность к качеству топлива.

Основными направлениями совершенствования дизельных двигателей являются:

  1.  снижение расхода топлива;
  2.  снижение токсичности отработавших газов;
  3.  повышение мощности двигателя;
  4.  снижение уровня шума;
  5.  облегчение холодного запуска.

Для реализации этих требований на современных дизельных двигателях применяются следующие системы:

Система впрыска Common Rail предполагает накопление топлива в аккумуляторе высокого давления и его впрыск электронно-управляемыми форсунками. Электроника обеспечивает впрыск строго определенных порций топлива, чем достигается высокая экономия, полное сгорание и повышение мощности. При необходимости топливо может впрыскиваться многократно в течение одного цикла.

Выпускная система современного дизеля ориентирована на снижение в отработавших газах сажи, несгоревших углеводородов и оксидов азота. Для этого в системе устанавливается сажевый фильтр. Накапливаемая в фильтре сажа удаляется путем регенерации.

Система рециркуляции отработавших газов предназначена для снижения содержания в отработавших газах оксида азота, для чего часть газов возвращается во впускной коллектор. Для повышения эффективности работы системы отработавшие газы принудительно охлаждаются в специальном охладителе, включенном в систему охлаждения двигателя.

Впускная система дизельного двигателя может оборудоваться впускными заслонками. Применение заслонок образует два канала всасывания, обеспечивает завихрение воздушного потока и улучшенное смесеобразование на всех режимах. При запуске двигателя и работе на низких оборотах заслонки закрыты, при высокой частоте вращения коленчатого вала и высоком крутящем моменте – открыты. Закрытие заслонок приводит к снижению в отработавших газах оксида углерода и несгоревших углеводородов.

Наиболее эффективной системой повышения мощности дизельного двигателя является турбонаддув. Для создания оптимального давления наддува на всех режимах работы двигателя в системе используется турбонагнетатель с изменяемой геометрией турбины.

Для облегчения запуска дизельного двигателя в холодное время применяется система предпускового разогрева, представляющая собой электронно-управляемые свечи накаливания, установленные во впускном коллекторе. Дополнительно на автомобиль может устанавливаться подогреватель дизельного топлива

Что мы знаем об оппозитном двигателе? То, что поршни в нем двигаются горизонтально. Что данный двигатель является лицом автомобилей Subaru. Пожалуй, все. Давайте узнаем немного больше.

Оппозитный двигатель является одной из компоновочных схем двигателя внутреннего сгорания, в которой поршни находятся под углом 180° и двигаются в горизонтальной плоскости друг к другу и друг от друга. При этом два соседних поршня всегда находятся в одинаковом положении, например в верхней мертвой точке.

Движение поршней в двигателе напоминает поединок боксеров, поэтому другое название оппозитного двигателя - боксер (boxer). Особенностью конструкции оппозитного двигателя является установка каждого поршня сшатуном на отдельной шатунной шейке коленчатого вала. Оппозитный двигатель всегда имеет четное количество цилиндров (2, 4, 6, 8, 10, 12). Самые распространенные в настоящее время четырех- и шестицилиндровые «оппозитники».

Оппозитный двигатель не нужно путать с V-образным двигателем и углом развала цилиндров 180°. При внешнем сходстве в таком двигателе соседние поршни с шатунами располагаются на одной шатунной шейке. Поэтому, когда один поршень достигает верхней мертвой точки, другой находится в нижней мертвой точке.

Неоспоримыми преимуществами оппозитного двигателя являются низкий центр тяжести, минимальные вибрации при работе и высокий уровень безопасности при лобовом столкновении.

Смещенный вниз центр тяжести оппозитного двигателя позволяет добиться лучшей устойчивости и управляемости автомобиля. Низко расположенный двигатель находится на одной оси с трансмиссией, чем достигается более эффективная передача мощности.

Оппозитный двигатель практически полностью лишен вибраций (имеет место только момент от сил инерции второго порядка, стремящийся развернуть двигатель вокруг вертикальной оси). Взаимно согласованное движение соседних поршней обеспечивает плавную работу двигателя. Баланс масс в оппозитном двигателе позволяет произвести установку коленчатого вала на трех коренных подшипниках (вместо обычных пяти), что значительно сокращает длину двигателя и его вес.

Оппозитный двигатель в большей степени отвечает требованиям пассивной безопасности. При лобовом столкновении мотор уходит вниз под автомобиль и, тем самым, сохраняет жизнь пассажиров в салоне. Не менее важным для водителей достоинством оппозитного двигателя является характерный звук его работы, отличающийся от других ДВС.

К сожалению, оппозитный двигатель не лишен и недостатков. Самым серьезным, на наш взгляд, является высокая трудоемкость ремонтных работ, связанная с особенностью конструкции двигателя. Так, для выполнения отдельных ремонтов требуется снятие двигателя с автомобиля. В некоторых источниках отмечается, что горизонтальное движение поршня приводит к неравномерному износу гильзы цилиндра и, как следствие, повышенному расходу масла. Ввиду определенных габаритных размеров оппозитный двигатель устанавливается на автомобиль только продольно.

В настоящее время оппозитные двигатели разрабатывают и устанавливают на свои автомобили компании Subaru и Porsche. Ранее оппозитный двигатель можно было увидеть на автомобилях Alfa Romeo, Citroen, Chevrolet, Honda, Lancia, Toyota, Volkswagen и даже Ferrari.

Компания Subaru использует оппозитные двигатели с 1963 года. Это четырех- и шестицилиндровые Boxer. История четырехцилиндровых двигателей от Subaru насчитывает три поколения: серия EA (1966-1994); серия EJ (1989-1998, коленчатый вал на 5 коренных подшипниках, 1999-2010, коленчатый вал на трех коренных подшипниках); серия FB (с 2010 года). Шестицилиндровые Boxer пошли в производство несколько позже - серия ER (1987-1991), серия EG (1992-1997), серия EZ (с 1999 года).

Абсолютное большинство оппозитных моторов это бензиновые двигатели с распределенным впрыском топлива и верхней системой газораспределения. Они имеют один (SOHC) или два (DOHC)распределительных вала, которые приводятся от коленчатого вала зубчатым ремнем или цепью. Несмотря на разное количество распределительных валов в двигателях реализована четырехклапанная схема газообмена. Ряд двигателей оснащентурбонаддувом.

Четырехцилиндровый Boxer третьего поколения получился более простой, компактный, экономичный и безвредный. Для снижения расхода топлива, уменьшения токсичности выбросов, увеличения величины крутящего момента и расширения его границы в новых двигателях использовано множество прогрессивных технических решений:

  1.  увеличена степень сжатия за счет увеличения хода поршня и уменьшения объема камеры сгорания;
  2.  снижен вес движущихся деталей (шатуна, поршня, коленчатого вала) за счет изготовления ковкой;
  3.  на распределительных валах впускных и выпускных клапанов использована система изменения фаз газораспределения (система активного управления клапанами AVCS);
  4.  применен новый масляный насос, обеспечивающий высокое качество смазки и увеличивающий ресурс двигателя;
  5.  использована система охлаждения с раздельными контурами для охлаждения блока цилиндров и головки блока.

В 2008 году Subaru впервые представила дизельный оппозитный двигатель. Четырехцилиндровый мотор, объемом 2,0 литра, развивает мощность 150 лс. В нем использована система впрыска Common Rail, система турбонаддува с турбиной с изменяемой геометрией.

На ряд моделей автомобилей Porsche (911, Boxster, Cayman) устанавливаются шестицилиндровые оппозитные двигатели. В свое время для использования в автогонках были разработаны 8 и 12-цилиндровые оппозитные двигатели.

Гибридным автомобилем называется транспортное средство, приводимое в движение с помощью гибридной силовой установки. Отличительной особенностью гибридной силовой установки является использование двух и более источников энергии и соответствующим им двигателей, преобразующих энергию в механическую работу. В некоторых источниках информации используется термин "гибридный двигатель", который с технической точки зрения неверен.

Несмотря на многообразие источников энергии (тепловая энергия бензина или дизельного топлива, электроэнергия, энергия сжатого воздуха, энергия сжатого сжиженного газа, солнечная энергия, энергия ветра и др.) в промышленном масштабе на гибридных автомобилях используется комбинация двигателя внутреннего сгорания и электродвигателя.

Главное преимущество гибридного автомобиля заключается в существенном сокращении расхода топлива и выбросов вредных веществ в атмосферу, которое достигается:

  1.  согласованной работе ДВС и электродвигателя;
  2.  применением аккумуляторов большой емкости;
  3.  использованием энергии торможения, т.н. рекуперативное торможение, преобразующее кинетическую энергию движения в электроэнергию.

Вместе с тем, в гибридных автомобилях используется множество других инновационных разработок, позволяющих экономить топливо и беречь атмосферу, в том числе:

  1.  система изменения фаз газораспределения;
  2.  система стоп-старт;
  3.  система рециркуляции отработавших газов;
  4.  система подогрева охлаждающей жидкости отработавшими газами;
  5.  улучшенная аэродинамика;
  6.  электропривод вспомогательных устройств (водяного насоса,климатической установкиусилителя руля и др.);
  7.  шины с пониженным сопротивлением качению.

Необходимо отметить, что больший эффект от гибридных автомобилей наблюдается при движении в городском цикле, который характеризуется частыми остановками, работой в режиме холостого хода. При движении с постоянной высокой скоростью (загородный цикл) гибриды не так эффективны.

В зависимости от характера взаимодействия двигателя внутреннего сгорания и электродвигателя различают следующие схемы гибридных силовых установок:

  1.  последовательная схема;
  2.  параллельная схема;
  3.  последовательно-параллельная схема.

Последовательная схема гибридного автомобиля

При последовательной схеме автомобиль приводится в движение от электродвигателя. Двигатель внутреннего сгорания соединен только с генератором, который в свою очередь питает электродвигатель и заряжает аккумуляторную батарею.

В гибридном автомобиле с последовательной схемой силовой установки, как правило, предусматривается возможность подключения к электрической сети по окончании поездки. Такие автомобили носят название Plug-in Hybrid (дословно -подключаемый гибрид). Реализация данной функции предполагает использование аккумуляторов увеличенной емкости (литий-ионные аккумуляторы), приводит к сокращению использования ДВС и соответственно снижению вредных выбросов.

Представителями Plug-in Hybrid являются автомобили Chevrolet Volt, Opel Ampera. Их еще называют электромобилями с увеличенным радиусом действия (Extended Range Electric Vehicle, EREV). Эти автомобили имеют возможность движения до 60 км на энергии аккумуляторов и до 500 км на энергии генератора, приводимого в действие ДВС.

Параллельная схема гибридного автомобиля

В параллельной схеме электродвигатель и двигатель внутреннего сгорания устанавливаются таким образом, что могут работать как самостоятельно, так и совместно. Это достигается путем соединения ДВС, электродвигателя и коробки передач с помощью автоматически управляемых муфт.

Гибридные автомобили, использующие параллельную схему, носят название Mild Hybrid (дословно - умеренный гибрид). В них используется электродвигатель малой мощности (порядка 20 кВт), который обеспечивает, как правило, дополнительную мощность при ускорении автомобиля. В большинстве конструкций электродвигатель, расположенный между ДВС и коробкой передач, выполняет также функцию стартера и генератора.

Известными гибридными автомобилями с параллельной схемой являются Honda Insight, Honda Civic Hybrid, BMW Active Hybrid 7, Volkswagen Touareg Hybrid, Hyundai Elantra Hybrid. Пионером в данной области является Honda и ее система Integrated Motor AssistIMA (дословно – интегрированный помощник двигателя).

При работе системы IMA можно выделить следующие характерные режимы:

  1.  Работа от электродвигателя.
  2.  Совместная работа ДВС и электродвигателя.
  3.  Работа от ДВС с одновременной зарядкой аккумулятора от электродвигателя в режиме генератора.
  4.  Зарядка аккумуляторной батареи в режиме рекуперативного торможения.

Последовательно-параллельная схема гибридного автомобиля

При последовательно-параллельной схеме двигатель внутреннего сгорания и электродвигатель соединены через планетарный редуктор. При этом мощность каждого из двигателей может передаваться на ведущие колеса одновременно в соотношении от 0 до 100% от номинальной мощности. В отличие от параллельной схемы в последовательно-параллельную схему добавлен генератор, обеспечивающий энергией работу электродвигателя.

Гибридные автомобили, использующие последовательно-параллельную схему, носят название Full Hybrid(дословно - полный гибрид). Известными полными гибридами являются автомобили Toyota Prius, Lexus RX 450h, Ford Escape Hybrid. В этом сегменте рынка гибридных автомобилей господствует компания Toyota и ее система Hybrid Synergy DriveHSD.

Силовая установка системы HSD представляет собой:

  1.  двигатель внутреннего сгорания, соединенный с водило планетарного редуктора;
  2.  электродвигатель, соединенный с коронной шестерней планетарного редуктора;
  3.  генератор, соединенный с солнечной шестерней планетарного редуктора.

Двигатель внутреннего сгорания работает по циклу Аткинсона, при котором реализуются посредственные мощностные показатели на низких оборотах, соответственно достигается большая топливная экономичность и меньшие вредные выбросы.

В работе системы Hybrid Synergy Drive выделяются следующие режимы:

  1.  Режим электромобиля, при котором ДВС выключен, а аккумуляторная батарея питает электродвигатель.
  2.  Режим движения с постоянной (крейсерской) скоростью, при котором мощность от ДВС распределяется между ведущими колесами и генератором. Генератор в свою очередь питает электродвигатель, мощность которого суммируется с мощностью ДВС. При необходимости производится зарядка аккумуляторной батареи.
  3.  Форсированный режим, при котором к ДВС присоединяется электродвигатель, питающийся от аккумуляторной батареи, обеспечивая импульс мощности.
  4.  Экономичный режим, при котором аккумуляторная батарея питает генератор. Генератор преобразует электрическую энергию в механическую, замедляя вращение ДВС. При этом крутящий момент двигателя не уменьшается, а достигается топливная экономичность.
  5.  Режим торможения, при котором электродвигатель работает как генератор, а электроэнергия используется для вращения солнечной шестерни в противоположную сторону, замедляя скорость движения автомобиля.
  6.  Режим зарядки аккумулятора, осуществляющийся с помощью ДВС и генератора.

Электрический автомобиль, хотим мы этого или нет, является безусловным и неотвратимым будущим автомобилестроения, при этом будущим ближайшим. Многие производители по всему миру вкладывают значительные средства в разработку электромобилей, чему способствует неуклонный рост цен на нефтепродукты, необходимость снижения вредных выбросов от автомобиля, а также разработки устройств хранения энергии, технологий энергопотребления.

В настоящее время крупнейшими рынками электрических автомобилей являются США, Япония, Китай и ряд европейских стран (Франция, Нидерланды, Норвегия, Германия, Великобритания). Из производителей электрокаров выделяются компании Nissan (Leaf), Mitsubishi (I MiEV), Toyota (RAV4EV), Honda (FitEV), Ford (Focus Electric), Tesla (Roadster и Model S), Renault (Fluence Z.E. и ZOE), BMW (Active C), Volvo (C30 Electric). Наша страна пока находится в стороне и от производства и от потребления электромобилей, за исключением разработок отдельных энтузиастов (известная Lada Ellada не в счет, она построена на импортных комплектующих).

Под термином «электрический автомобиль» или «электромобиль»понимается транспортное средство, которое приводится в движение одним или несколькими электрическими двигателями. При этом питание электромотора может осуществляться от аккумуляторной батареи, солнечной батареи или топливных элементов. Наибольшее распространение получила конструкция электромобиля с питанием от аккумуляторной батареи.

Аккумуляторная батарея требует регулярной зарядки, которая может осуществляться от внешних источников тока, путем рекуперации энергии торможения, а также от генератора на борту электромобиля. Генератор приводится от двигателя внутреннего сгорания, но такая схема, по сути, электромобилем уже не является, а относится к одной из разновидностей гибридного автомобиля.

Работа по созданию электрических автомобилей ведется в двух направлениях - разработка новых моделей и адаптация серийных автомобилей. Последнее направление более предпочтительное, т.к. менее затратное. Выпускаемые электромобили в зависимости от предназначения можно разделить на три группы:

  1.  городские электромобили (максимальная скорость до 100 км/ч);
  2.  шоссейные электромобили (максимальная скорость свыше 100 км/ч);
  3.  спортивные электромобили (максимальная скорость свыше 200 км/ч).

Устройство электрического автомобиля

В отличие от автомобиля с двигателем внутреннего сгорания электромобиль имеет более простую конструкцию, включающую минимальное количество движущихся частей, а значит более надежную.

Основными конструктивными элементами электрического автомобиля являются:

  1.  аккумуляторная батарея;
  2.  электродвигатель;
  3.  трансмиссия;
  4.  бортовое зарядное устройство;
  5.  инвертор;
  6.  преобразователь постоянного тока;
  7.  электронная система управления.

Схема электрического автомобиля

Тяговая аккумуляторная батареяобеспечивает питание электродвигателя. На электромобиле, в основном, используются литий-ионная аккумуляторная батарея, которая состоит из ряда соединенных последовательно модулей. На выходе аккумуляторной батареи снимается напряжение постоянного тока порядка 300В. Емкость батареи должна соответствовать мощности электродвигателя.

Одним из основных элементов электромобиля являетсяэлектродвигатель, который служит для создания необходимого для движения крутящего момента. В качестве тягового электродвигателя используют трехфазные синхронные (асинхронные) электрические машины переменного тока мощностью от 15 до 200 и более кВт. В сравнении с ДВС электродвигатель имеет высокую эффективность и меньшие потери энергии. КПД электродвигателя составляет 90% против 25% у ДВС.

Основными преимуществами электродвигателя являются:

  1.  реализация максимального крутящего момента во всем диапазоне скоростей;
  2.  возможность работы в двух направлениях без дополнительных устройств;
  3.  простота конструкции, воздушное охлаждение;
  4.  возможность работы в режиме генератора.

В ряде конструкций электромобилей используется несколько электродвигателей, которые приводят отдельные колеса, что значительно повышают тяговую мощность транспортного средства. Электродвигатель может быть помещен непосредственно в колесо автомобиля, сокращая до минимума трансмиссию. Но такая схема электромобиля увеличивает неподрессоренные массы и ухудшает управляемость.

Трансмиссия электромобиля достаточно проста и на большинстве моделей представлена одноступенчатым зубчатым редуктором.Бортовое зарядное устройство позволяет заряжать аккумуляторную батарею от бытовой электрической сети.Инвертор преобразует высокое напряжение постоянного тока аккумуляторной батареи в трехфазное напряжение переменного тока, необходимое для питания электродвигателя.

Преобразователь постоянного тока обеспечивает зарядку дополнительной двенадцативольтовой аккумуляторной батареи, которая используется для питания различных потребителей электроэнергии (электроусилитель рулевого управления, электрический отопитель салона, кондиционер, система освещения,стеклоочистителиаудиосистема и др.)

Электронная система управления выполняет в электрическом автомобиле несколько функций, направленных на обеспечение безопасности, энергосбережение и комфорт пассажиров:

  1.  управление высоким напряжением;
  2.  регулирование тяги;
  3.  обеспечение оптимального режима движения;
  4.  управление плавным ускорением;
  5.  оценка заряда аккумуляторной батареи;
  6.  управление рекуперативным торможением;
  7.  контроль использования энергии.

Конструктивно система объединяет ряд входных датчиков, блок управления и исполнительные устройства различных систем электромобиля. Входные датчики оценивают положение педали газа, педали тормоза, селектора переключения передач, давление в тормозной системе, степень заряда аккумуляторной батареи. На основании сигналов датчиков блок управления обеспечивает оптимальное для конкретных условий движение электромобиля. Основные параметры работы электромобиля (потребление энергии, восстановление энергии, остаточный заряд аккумуляторной батареи) визуально отображаются на панели приборов.

Эксплуатация электромобиля

Несмотря на внешнее сходство и аналогичные органы управления, эксплуатация электромобиля существенным образом отличается от эксплуатации автомобиля с двигателем внутреннего сгорания. Именно эксплуатационные проблемы сдерживают массовое использование электромобиля, среди которых:

  1.  высокая стоимость;
  2.  ограниченная автономность;
  3.  значительное время заряда аккумуляторов.

Высокую стоимость автомобиля во многом определяет цена аккумуляторной батареи. Несмотря на отличные эксплуатационные характеристики, литий-ионная аккумуляторная батарея очень дорогая в производстве и помимо этого имеет ограниченный ресурс (5-7 лет). Это заставляет разрабатывать новые источники тока (топливные элементы), способы хранения энергии (суперконденсаторы, маховики), совершенствовать конструкцию тяговых аккумуляторных батарей (литий-полимерные аккумуляторы).

Текущие расходы на содержание электрического автомобиля значительно ниже (в 3-4 раза) расходов на содержание автомобиля с ДВС и зависят, в основном, от стоимости электроэнергии. Эксплуатация электромобиля экономически выгодна в странах, где производство электроэнергии в меньшей степени зависит от ископаемого топлива.

Одна из самых серьезных проблем эксплуатации электромобиля егоневысокая степень автономности. Величина пробега электромобиля без подзарядки зависит от многих факторов: емкости аккумуляторной батареи, характера и условий движения, стиля вождения, степени использования вспомогательных систем. В настоящее время средняя дальность использования электромобиля составляет порядка 150 км при скорости движения 70 км/ч. При движении с большей скоростью, пробег резко уменьшается, например, при скорости 130 км/ч (нормальная шоссейная скорость) он составляет уже 70 км. Именно поэтому электромобиль в большинстве своем позиционируется как транспортное средство для городских поездок.

Современные технологии позволяют увеличить степень автономности электромобиля до 300 и более км, среди которых следует отметитьсистему рекуперативного торможения (возвращает до 30% затрачиваемой энергии), аккумуляторы повышенной емкости, электронная оптимизация процессов движения.

Неотъемлемым атрибутом эксплуатации электромобиля является необходимость периодической зарядки аккумуляторной батареи, которая занимает много времени. Решение данной проблемы реализуется по нескольким направлениям:

  1.  нормальная зарядка аккумуляторной батареи (осуществляется от бытовой электрической сети мощностью 3-3,5 кВт, предполагает установку на электромобиле специального зарядного устройства, продолжительность до полной зарядки батареи составляет 8 часов);
  2.  ускоренная зарядка аккумуляторной батареи (производится на специальных станциях мощностью до 50 кВт, продолжительность зарядки до 80% емкости батареи составляет 30 минут);
  3.  замена разряженной аккумуляторной батареи на заряженную батарею (выполняется автоматически на специальных обменных станциях).

Реализация указанных направлений требует развития инфраструктуры (зарядных и обменных станций, мест парковки), стандартизации технических решений, разработки правил для поставщиков услуг.

В соответствии с предназначением кривошипно-шатунный механизм (сокращенное название – КШМ) воспринимает давление газов, возникающих при сгорании топливно-воздушной смеси в цилиндрах двигателя, и преобразует его в механическую работу по вращению коленчатого вала.

Кривошипно-шатунный механизм состоит из следующих основных элементов:

  1.  поршни;
  2.  шатуны;
  3.  гильзы (втулки) цилиндров;
  4.  коленчатый вал;
  5.  маховик.

Устройство кривошипно-шатунного механизма

Поршень воспринимает давление расширяющихся при высокой температуре газов и передает его на шатун. Поршень изготавливается из алюминиевых сплавов. Возвратно-поступательное движение поршня осуществляется в гильзе цилиндра.

Поршень состоит из единых головки и юбки. Головка поршня может иметь различную форму (плоскую, выпуклую, вогнутую и др.), в ней также может быть выполнена камера сгорания (дизельные двигатели). В головке нарезаны канавки для размещения поршневых колец. На современных двигателях используется два типа колец: маслосъемные и компрессионные. Компрессионные кольца препятствуют прорыву газов в картер двигателя. Маслосъемные кольца удаляют излишки масла на стенках цилиндра. В юбке выполнены две бобышки для размещения поршневого пальца, который соединяет поршень с шатуном.

Шатун передает усилие от поршня к коленчатому валу, для этого он имеет шарнирное соединение и с поршнем и с коленчатым валом. Шатуны изготавливаются, как правило, из стали путем штамповки или ковки. Шатуны двигателей спортивных автомобилей отлиты из сплава титана.

Конструктивно шатун состоит из верхней головки, стержня и нижней головки. В верхней головке размещается поршневой палец. Предусматривается вращение поршневого пальца в головке шатуна и бобышках поршня. Такой палец имеет название «плавающий». Стержень шатуна имеет двутавровое сечение. Нижняя головка выполнена разборной, что позволяет обеспечить соединение с шейкой коленчатого вала. Современной технологией являетсяконтролируемое раскалывание цельной нижней головки шатуна. Благодаря неповторимой поверхности излома обеспечивается высокая точность соединения частей нижней головки.

Коленчатый вал воспринимает усилия от шатуна и преобразует их в крутящий момент. Коленчатые валы изготавливаются из высокопрочного чугуна и стали. Коленчатый вал состоит из коренных и шатунных шеек, соединенных щеками. Щеки выполняют функцию уравновешивания всего механизма. Коренные и шатунные шейки вращаются в подшипниках скольжения, выполненных в виде разъемных тонкостенных вкладышей. Внутри шеек и щек коленчатого вала просверлены отверстия для прохода масла, которое к каждой их шеек подается под давлением.

На конце коленчатого вала устанавливается маховик. В настоящее время применяются т.н. двухмассовые маховики, представляющие собой упруго соединенных два диска. Через зубчатый венец маховика производится запуск двигателя стартером.

Для предотвращения крутильных колебаний (чередующееся закручивание и раскручивание коленчатого вала) на другом конце коленчатого вала может устанавливаться гаситель крутильных колебаний. Гаситель колебаний состоит из двух металлических колец, соединенных через упругую среду (эластомер, вязкое масло). На внешнем кольце гасителя крутильных колебаний выполнен ременной шкив (звездочка цепи).

В совокупности поршень, шатун и гильза цилиндров образуютцилиндро-поршневую группу или просто цилиндр. Современный двигатель может иметь от одного до 16 (Bugatti Veyron) и более цилиндров.

Различают следующие компоновочные схемы расположения цилиндров в двигателе:

  1.  рядная (оси цилиндров расположены в одной плоскости);
  2.  V–образная (оси цилиндров расположены в двух плоскостях);
  3.  оппозитная (оси цилиндров расположены в двух плоскостях под углом 180°);
  4.  VR (оси цилиндров расположены в двух плоскостях под малым углом);
  5.  W–образная (две VR схемы, расположенных V-образно со смещением на одном коленчатом валу).

Компоновочная схема определяет уровень балансировки двигателя. Наилучшую балансировку имеет двигатель с оппозитным расположением цилиндров. Достаточно сбалансирован рядный четырехцилиндровый двигатель. V-образный двигатель имеет наилучшую балансировку при значении угла между цилиндрами 60° и 120°.

Для уменьшения вибрации в рядных двигателях применяютсябалансирные валы, расположенные под коленчатым валом в масляном поддоне.

В кривошипно-шатунном механизме поршень выполняет несколько функций, среди которых восприятие давления газов и передача усилий на шатун, герметизация камеры сгорания и отвод от нее тепла. Поршень является наиболее характерной деталью двигателя внутреннего сгорания, т.к. именно с его помощью реализуется термодинамический процесс двигателя.

Условия, в которых работает поршень, экстремальны и характеризуются высоким давлением, температурой и инерционными нагрузками. Поэтому поршни на современных двигателях изготавливаются из легкого, прочного и термостойкого материала – алюминиевого сплава, реже из стали. Поршни изготавливаются двумя способами – литьем под давлением или штамповкой, т.н. кованые поршни.

Схема поршня двигателя

Поршень цельный конструктивный элемент, который условно разделяют на головку (в некоторых источниках ее называют днище) и юбку. Форма и конструкция поршня в значительной степени определяются типом двигателя, формой камеры сгорания и процессом сгорания, протекающим в ней. Поршень бензинового двигателя имеет плоскую или близкую к плоской поверхность головки. В ней могут быть выполнены канавки для полного открытия клапанов. Поршни двигателей с непосредственным впрыском топлива имеют более сложную форму. В головке поршня дизельного двигателя выполняется камера сгорания определенной формы, которая обеспечивает хорошее завихрение и улучшает смесеобразование.

Ниже головки поршня выполняются канавки для установки поршневых колец. Юбка поршня имеет конусообразную или криволинейную (бочкообразную) форму. Такая форма юбки компенсирует температурное расширение поршня при нагреве. При достижении рабочей температуры двигателя поршень принимает цилиндрическую форму. Для снижения потерь на трение на боковую поверхность поршня наносится слой антифрикционного материала (дисульфид молибдена, графит). В юбке поршня выполнены отверстия с приливами (бобышки) для крепления поршневого пальца.

Охлаждение поршня осуществляется со стороны внутренней поверхности различными способами:

  1.  масляный туман в цилиндре;
  2.  разбрызгивание масла через отверстие в шатуне;
  3.  разбрызгивание масла специальной форсункой;
  4.  впрыскивание масла в специальный кольцевой канал в зоне колец;
  5.  циркуляция масла по трубчатому змеевику в головке поршня.

Поршневые кольца образуют плотное соединение поршня со стенками цилиндра. Они изготавливаются из модифицированного чугуна. Поршневые кольца основной источник трения в двигателе внутреннего сгорания. Потери на трение в кольцах достигают до 25% всех механических потерь в двигателе.

Число и расположение колец зависит от типа и назначения двигателя. Самая распространенная схема – два компрессионных и одно маслосъемное кольцо. Компрессионные кольцапрепятствуют прорыву газов из камеры сгорания в картер двигателя. Первое компрессионное кольцо работает в наиболее тяжелых условиях. Поэтому на поршнях дизельных и ряда форсированных бензиновых двигателей в канавке кольца устанавливается стальная вставка, повышающая прочность и позволяющая реализовать максимальную степень сжатия. Компрессионные кольца могут иметь трапециевидную, бочкообразную, коническую форму, некоторые выполняются с порезом (вырезом).

Маслосъемное кольцо удаляет излишки масла с поверхности цилиндра и препятствует попаданию масла в камеру сгорания. Кольцо имеет множество дренажных отверстий. Некоторые конструкции колец имеют пружинный расширитель.

Соединение поршня с шатуном осуществляется с помощью поршневого пальца, который имеет трубчатую форму и изготавливается из стали. Имеется несколько способ установки поршневого пальца. Самый популярный т.н. плавающий палец, который имеет возможность проворачиваться в бобышках и поршневой головке шатуна во время работы. Для предотвращения смещения пальца он фиксируется стопорными кольцами. Значительно реже применяется жесткое закрепление концов пальца в поршне или жесткое закрепление пальца в поршневой головке шатуна.

Поршень, поршневые кольца и поршневой палец носят устоявшееся название поршневая группа

Шатун образует важное звено между поршнем и коленчатым валом, преобразуя поступательное движение первого во вращательное движение последнего.

В двигателе шатун подвергается воздействию значительных переменных нагрузок, изменяющихся от растяжения к сжатию. Поэтому он должен быть прочным, жестким и легким. Шатуны изготавливаются из стали литьем или горячей штамповкой. На спортивных автомобилях могут устанавливаться шатуны из титанового сплава.

Конструкция шатуна различается в зависимости от типа двигателя и его компоновочной схемы. Длина шатуна во многом определяет высоту двигателя. Шатун условно разделяется на три части: стержень, поршневую и кривошипную головки.

Стержень шатуна имеет, как правило, двутавровое сечение. Встречаются шатуны с круглым, прямоугольным, крестообразным, Н-образным сечением стержня. Для подачи масла к подшипнику поршневой головки в стержне шатуна выполнен канал.

Поршневая головка представляет собой цельную проушину, в которую с натягом установлена втулка – подшипник скольжения для вращения поршневого пальца. Втулка изготавливается бронзовой или биметаллической (сталь со свинцом, оловом). Устройство поршневой головки определяется размером поршневого пальца и способом его крепления. Для снижения массы шатуна и уменьшения нагрузки на поршневой палец на некоторых двигателях используются шатуны с трапециевидной формой поршневой головки.

Кривошипная головка обеспечивает соединение шатуна с коленчатым валом. На большинстве двигателей кривошипная головка выполняется разъемной, что обусловлено технологией сборки ДВС. Нижняя часть головки (крышка) соединяется с шатуном с помощью болтов. Реже используется штифтовое или бандажное соединение частей кривошипной головки. Разъем может быть прямым (перпендикулярный оси стержня) или косым (под углом к оси стержня). Косой разъем применяется, в основном, на V-образных двигателях и позволяет сделать блок двигателя более компактным.

Для противодействия поперечным силам стыковые поверхности кривошипной головки выполняются профилированными. Различают зубчатое, замковое (прямоугольные выступы) соединение. Самым популярным в настоящее время является соединение частей головки, полученное способом контролированного раскалывания, т.н. сплит-разъем. Разлом обеспечивает высокую точность стыковки частей.

Толщина кривошипной головки определяет длину блока цилиндров. Особенно это актуально для V- и W-образных двигателей. К примеру, толщина нижней головки шатуна двигателя W12 от Audi составляет всего 13 мм.

В кривошипной головке размещается шатунный подшипник, состоящий из двух вкладышей. Вкладыши изготавливаются многослойными – двух-, трех-, четырех- и даже пятислойными. Самые ходовые двух- и трехслойные вкладыши. Двухслойный вкладыш представляет собой стальную основу, на которую нанесено антифрикционное покрытие. В трехслойном вкладыше стальную основу и антифрикционный слой разделяет изоляционная прокладка.

Коленчатый вал – один из наиболее ответственных и дорогостоящих конструктивных элементов двигателя внутреннего сгорания. Он преобразует возвратно-поступательное движение поршней в крутящий момент. Коленчатый вал воспринимает периодические переменные нагрузки от сил давления газов, а также сил инерции движущихся и вращающихся масс.

Коленчатый вал двигателя, как правило, цельный конструктивный элемент, поэтому правильно его называть деталью. Вал изготавливается из стали с помощью ковки или чугуна путем литья. На дизельных и турбированных двигателях устанавливаются более прочные стальные коленчатые валы.

Схема коленчатого вала

Конструктивно коленчатый вал объединяет несколько коренных и шатунных шеек, соединенных между собой щеками. Коренных шеек, как правило, на одну больше, а вал с такой компоновкой называется полноопорным. Коренные шейки имеют больший диаметр, чем шатунные шейки. Продолжением щеки в противоположном от шатунной шейки направлении является противовес. Противовесы уравновешивают вес шатунов и поршней, тем самым обеспечивают плавную работу двигателя.

Шатунная шейка, расположенная между двумя щеками, называетсяколеном. Колена располагаются в зависимости от числа, расположения и порядка работы цилиндров, тактности двигателя. Положение колен должно обеспечивать уравновешенность двигателя, равномерность воспламенения, минимальные крутильные колебания и изгибающие моменты.

Шатунная шейка служит опорной поверхностью для конкретного шатуна. Коленчатый вал V-образного двигателя выполняется с удлинёнными шатунными шейками, на которых базируется два шатуна левого и правого рядов цилиндров. На некоторых валах V-образных двигателей спаренные шатунные шейки сдвинуты относительно друг друга на угол 18°, что обеспечивает равномерность воспламенения (технология носит название Split-pin).

Наиболее нагруженным в конструкции коленчатого вала является место перехода от шейки (коренной, шатунной) к щеке. Для снижения концентрации напряжений переход от шейки к щеке выполняется с радиусом закругления (галтелью). Галтели в совокупности увеличивают длину коленчатого вала, для уменьшения длины их выполняют с углублением в щеку или шейку.

Вращение коленчатого вала в опорах, а шатунов в шатунных шейках обеспечивается подшипниками скольжения. В качестве подшипников применяются разъемные тонкостенные вкладыши, которые изготавливаются из стальной ленты с нанесенным антифрикционным слоем. Проворачиванию вкладышей вокруг шейки препятствует выступ, которым они фиксируются в опоре. Для предотвращения осевых перемещений коленчатого вала используется упорный подшипник скольжения, который устанавливается на средней или крайней коренной шейке.

Схема системы смазки

Коренные и шатунные шейки включены в систему смазки двигателя. Они смазываются под давлением. К каждой опоре коренной шейки обеспечивается индивидуальный подвод масла от общей магистрали. Далее масло по каналам в щеках подается к шатунным шейкам.

Отбор мощности с коленчатого вала производится с заднего конца (хвостовика), к которому крепитсямаховик. На переднем конце (носке) коленчатого вала располагаются посадочные места, на которых крепятся шестерня (звездочка) привода распределительного вала, шкив привода вспомогательных агрегатов, а также в ряде конструкций – гаситель крутильных колебаний. По конструкции это два диска и соединяющий их упругий материал (резина, силиконовая жидкость, пружина), который поглощает вибрации вала за счет внутреннего трения.

Маховик можно отнести сразу к нескольким системам двигателя, т.к. в интересах этих систем он выполняет отдельные функции:

  1.  снижение неравномерности вращения коленчатого вала (маховик - конструктивный элемент кривошипно-шатунного механизма);
  2.  передача крутящего момента от двигателя к коробке передач (маховик – ведущий диск сцепления);
  3.  передача крутящего момента от стартера на коленчатый вал двигателя (маховик – ведомая шестерня редуктора системы запуска).

Сглаживание пульсаций крутящего момента производится за счет периодического накопления и отдачи кинетической энергии маховиком. Энергия запасается во время рабочего хода поршня и расходуется при других тактах двигателя, в т.ч. на выведение поршней из мертвых точек. Чем больше цилиндров в двигателе, тем рабочий ход поршня в каждом из них занимает больше времени, следовательно, крутящий момент такого двигателя более равномерный, а масса маховика может быть уменьшена.

Маховик крепиться в торце коленчатого вала возле заднего коренного подшипника. Это, как правило, самый мощный подшипник в двигателе, так как он должен выдерживать вес маховика и нагрузки, связанные с его работой.

Различают следующие виды конструкции маховиков:

  1.  сплошной;
  2.  двухмассовый;
  3.  облегченный.

Наибольшее распространение на автомобилях нашел маховик сплошной конструкции. Это массивный диск диаметром от 30 до 40 сантиметров, выполненный из чугуна. На внешнюю поверхность диска напрессован стальной зубчатый венец, обеспечивающий проворачивание коленчатого вала при запуске двигателя с помощью стартера. С одной стороны маховика выполнена ступица для крепления к фланцу коленчатого вала, другая сторона играет роль ведущего диска сцепления.

При работе двигателя на разных оборотах коленчатый вал постоянно закручивается и раскручивается, т.е. подвергается крутильным колебаниям. В двигателе применяются гасители крутильных колебаний. Одной из таких систем является маховик особой конструкции – т.н. двухмассовый маховик (другое название –демпферный маховик).

Устройство двухмассового маховика

Маховик включает два диска, соединенные с помощью пружинно-демпферной системы, позволяющей полностью изолировать трансмиссию от крутильных колебаний и обеспечить равномерную работу ее элементов. С применением двухмассового маховика отпадает необходимость демпфирующего устройства в ведомом диске сцепления.

Преимуществами двухмассового маховика являются гашение вибраций, изоляция шумов, удобство переключения передач, снижение износа синхронизаторов, защита трансмиссии от перегрузки и даже экономия топлива. С другой стороны интенсивная работа двухмассового маховика приводит к усиленному износу пружинно-демпферной системы и даже поломке ее основного элемента - дуговой пружины. Все это сдерживает массовое применение демпферного маховика на двигателях.

Облегченный маховик используется при тюнинге двигателя. Перераспределение массы маховика к краям диска позволяет уменьшить его массу до 1,5 кг и в свою очередь уменьшить момент инерции. С применением облегченного маховика двигатель быстрее достигает максимальных оборотов, соответственно имеет лучшую разгонную динамику, а также наблюдается увеличение мощности до 5%.

Работа кривошипно-шатунного механизма сопровождается возникновением сил инерции от движения его конструктивных элементов. Различают силы инерции возвратно-поступательно движущихся масс (поршни) и вращающихся масс (шатуны). В многоцилиндровом двигателе силы инерции в отдельных цилиндрах создают еще и моменты инерции в продольной плоскости. В совокупности силы и моменты вызывают вибрацию двигателя, которая передается на кузов и сопровождается повышенным уровнем шума, перегрузками и увеличением износа элементов.

Для противодействия вибрации производится уравновешивание(балансировка) двигателя. Наиболее распространенным способом балансировки является установка дополнительных противовесов на щеках коленчатого вала. Вместе с тем данный способ не позволяет уравновесить силы инерции, возникающие в двигателях различных компоновочных схем. Так, в четырехцилиндровом рядном двигателе неуравновешенными остаются силы инерции второго порядка (силы, возникающие при движении масс с удвоенной частотой коленчатого вала). При этом величина сил инерции увеличивается с ростом объема двигателя.

Для уравновешивания сил инерции второго порядка в четырехцилиндровых рядных двигателях рабочим объемом 2,0 и более литра применяются дополнительные валы с противовесами – т.н. балансирные валы. Впервые балансирные валы на своих автомобилях применила в 1976 году компания Mitsubishi, технология получила название Silent Shaft(бесшумный вал). В настоящее время балансирные валы достаточно широко используются в продукции других автопроизводителей – VW, Audi, BMW, Mercedes-Benz, GM.

Балансирные валы устанавливаются попарно с одной и другой стороны коленчатого вала, как правило, симметрично. Наиболее предпочтительной в плане занимаемого объема является установка балансирных валов в картере двигателя ниже коленчатого вала. Балансирный вал представляет собой деталь сложной формы, обычно это металлический стержень с выбранными в нем пазами. Балансирный вал вращается в двух подшипниках скольжения, смазываемых в составе системы смазки двигателя.

Привод балансирных валов осуществляется непосредственно от коленчатого вала и обеспечивает вращение валов в разные стороны с удвоенной угловой скоростью. В качестве привода могут использоваться зубчатый редуктор, цепная передача или их комбинация. Для гашения крутильных колебаний, возникающих при вращении валов, в приводной звездочке цепного привода устанавливается пружинный гаситель колебаний.

В силу своей конструкции балансирные валы при работе испытывают значительные нагрузки. Особенно нагружены дальние от привода подшипники. Все это приводит к ускоренному износу подшипников, а также элементов привода. Износ сопровождается шумом, вибрацией и может привести к обрыву приводной цепи. Последствия для двигателя такой поломки несложно представить.

Ремонт балансирных валов – дорогое удовольствие. Поэтому отечественные умельцы просто от валов избавляются, а отверстия в картере закрывают заглушками. Вибрация, конечно, увеличивается, но опоры двигателя с ней неплохо справляются. Помимо повышенного износа, применение балансирных валов усложняет и удорожает конструкцию двигателя. При этом потери мощностидвигателя на их привод могут достигать 15 л.с.

Газораспределительный механизм (другое наименование – система газораспределения, сокращенное наименование – ГРМ) предназначен для обеспечения своевременной подачи в цилиндры двигателя воздуха или топливно-воздушной смеси (в зависимости от типа двигателя) и выпуска из цилиндров отработавших газов. Данные функции реализуются за счет своевременного открытия и закрытия клапанов.

На самых распространенных четырехтактных поршневых двигателях внутреннего сгорания применяются клапанные газораспределительные механизмы, поэтому устройство ГРМ рассмотрено именно на его примере.

Газораспределительный механизм имеет следующее общее устройство:

  1.  клапаны;
  2.  привод клапанов;
  3.  распределительный вал;
  4.  привод распределительного вала.

Схема газораспределительного механизма

Клапаны непосредственно осуществляют подачу в цилиндры воздуха (топливно-воздушной смеси) и выпуск отработавших газов. Клапан состоит из тарелки и стержня. На современных двигателях клапаны располагаются в головке блока цилиндров, а место соприкосновения клапана с ней называется седлом. Различают впускные и выпускные клапаны. Для лучшего наполнения цилиндров диаметр тарелки впускного клапана, как правило, больше, чем выпускного.

Клапан удерживается в закрытом состоянии с помощью пружины, а открывается при нажатии на стержень. Пружина закреплена на стержне с помощью тарелки пружины и сухарей. Клапанные пружины имеют определенную жесткость, обеспечивающую закрытие клапана при работе. Для предупреждения резонансных колебаний на клапанах может устанавливаться две пружины меньшей жесткости, имеющие противоположную навивку.

Клапаны изготавливаются из сплавов металлов. Рабочая кромка тарелки клапана усилена. Стержень впускного клапана, как правило, полнотелый, а выпускного – полый, с натриевым наполнением для лучшего охлаждения.

Большинство современных ДВС имеют по два впускных и два выпускных клапана на каждый цилиндр. Помимо данной схемы ГРМ используется: двухклапанная схема (один впускной, один выпускной), трехклапанная схема (два впускных, один выпускной), пятиклапанная схема (три впускных, два выпускных). Использование большего числа клапанов ограничивается размером камеры сгорания и сложностью привода.

Открытие клапана осуществляется с помощью привода, обеспечивающего передачу усилия от распределительного вала на клапан. В настоящее время применяются две основные схемы привода клапанов:

  1.  гидравлические толкатели;
  2.  роликовые рычаги.

Роликовые рычаги в качестве привода клапанов более предпочтительны, т.к. имеют меньшие потери на трение и меньшую массу. Роликовый рычаг (другие наименования – коромысло, рокер, от английского «коромысло») одной стороной опирается на стержень клапана, другой – на гидрокомпенсатор (в некоторых конструкциях на шаровую опору). Для снижения потерь на трение место сопряжения рычага и кулачка распределительного вала выполнено в виде ролика.

С помощью гидрокомпенсаторов в приводе клапанов реализуется нулевой тепловой зазор во всех положениях, обеспечивается меньший шум и мягкость работы. Конструктивно гидрокомпенсатор состоит из цилиндра, поршня с пружиной, обратного клапана и каналов для подвода масла. Гидравлический компенсатор, расположенный непосредственно на толкателе клапана, носит название гидравлического толкателя (гидротолкателя).

Распределительный вал обеспечивает функционирование газораспределительного механизма в соответствии с принятым для данного двигателя порядком работы цилиндров и фазами газораспределения. Он представляет собой вал с расположенными кулачками. Форма кулачков определяет фазы газораспределения, а именно моменты открытия-закрытия клапанов и продолжительность их работы. Существенное повышение эффективности ГРМ, а следовательно и улучшение характеристик двигателя дают различные системы изменения фаз газораспределения.

На современных двигателях распределительный вал расположен в головке блока цилиндров. Он вращается в подшипниках скольжения, выполненных в виде опор. Используются как разъемные опоры, так и неразъемные (вал вставляется с торца). В некоторых двигателях в опорах используются тонкостенные вкладыши. От перемещения в продольном направлении распределительный вал удерживается упорным подшипником, который располагается со стороны привода вала. К опорам распределительного вала по индивидуальным каналам и под давлением подается масло из системы смазки.

Схема системы смазки

Различают две схемы расположения распределительного вала в головке блока цилиндров:

  1.  одновальная – SOHC (Single OverHead Camshaft);
  2.  двухвальная - DOHC (Double OverHead Camshaft).

В связи с широким применением четырех клапанов на один цилиндр предпочтение отдается двухвальной схеме ГРМ (один распределительный вал обеспечивает привод впускных клапанов, другой вал – выпускных). В V-образном двигателе устанавливается четыре распределительных вала - по два на каждый ряд цилиндров.

Распределительный вал приводится в действие от коленчатого вала с помощью привода, который осуществляет его вращение в два раза медленнее коленчатого вала (за один цикл работы двигателя конкретный клапан открывается только один раз). В качествепривода распределительного вала используются ременная, цепная и зубчатая передачи.

Ременная и цепная передачи приводят в действие распределительный вал, расположенный в головке блока цилиндров. Зубчатая передача вращает, как правило, распределительный вал в блоке цилиндров. В обиходе зубчатая передача привода распределительного вала носит название "гитара" (по форме двух соединенных шестерен).

Ременная и цепная передачи имеют как достоинства, так и недостатки, поэтому в ГРМ применяются на равных. Цепной приводболее надежный и, соответственно, долговечный. Но цепь тяжелее ремня, поэтому требует дополнительных устройств для натяжения (натяжные ролики,) и гашения колебаний (успокоители). Натяжные ролики обеспечивают натяжение с помощью пружины и за счет давления масла в системе смазки. В качестве цепного привода распределительного вала используются одно- и двухрядные роликовые цепи. Постепенно их вытесняют зубчатые цепи, которые взаимодействуют с зубьями звездочки щеками особой формы. Помимо распределительного вала с помощью цепи может осуществляться привод масляного насосабалансирных валов.

Ременной привод не требует смазки, поэтому на шкивы устанавливается открыто. Вместе с тем, ремень в сравнении с цепью имеет ограниченный ресурс. Правда этот ресурс не такой уж и малый. Современные ремни "пробегают" 100-150 тыс.км. В качестве ременного привода распределительного вала широко используются зубчатые ремни. Выступы на внутренней поверхности зубчатого ремня входят в зацепление с зубьями на шкивах (шестернях), тем самым обеспечивается вращение. Надвигателях TDI используется эллиптическая шестерня привода зубчатого ремня, что позволяет снизить тяговые усилия и крутильные колебания распределительного вала. Наряду с распределительным валом зубчатый ремень может приводить масляный насос, насос охлаждающей жидкоститопливный насос высокого давления.

Десмодромным называется вид газораспределительного механизма, обеспечивающий непосредственное управление подъемом и опусканием клапанов, чем достигается их своевременное открытие и закрытие на всех оборотах коленчатого вала двигателя.

Десмодромный механизма получил свое название от двух греческих слов desmos (управление, связь, контроль) и dromos (действие, движение) – «управляемое движение».

В 50-е годы прошлого века десмодромная схема газораспределения применялась на гоночных автомобилях Mercedes-Benz. В настоящее время десмодромный механизм используется в двигателях внутреннего сгорания, устанавливаемых на гоночных мотоциклахDucati, и является визитной карточкой фирмы.

Десмодромный механизм имеет общепринятое международное название Desmodromic.

Управляемое движение клапана в десмодромном механизме осуществляется с помощью специального привода, который включает:

  1.  распределительный вал с кулачками специальной формы (по другой схеме – два распределительных вала, один на закрытие, другой на открытие клапанов);
  2.  два коромысла, обеспечивающих открытие и закрытие каждого клапана;
  3.  элементов соединения (шайб) коромысла с клапаном.

Схема десмодромного механизма

Применение десмодромного механизма позволяет предотвратить, т.н.«зависание клапанов» (неполное закрытие клапана до достижения поршнем верхней мертвой точки), возникающее вследствие высокой частоты вращения коленчатого вала двигателя, инерции клапана и резонанса пружины. Зависание клапанов может привести к серьезным проблемам:

  1.  столкновение поршня с клапаном, и как следствие их разрушение;
  2.  перегрев клапанов, и как следствие их коробление и разрушение;
  3.  преждевременное воспламенение топливно-воздушной смеси, и как следствие уменьшение давления газов, снижение мощности двигателя, увеличение вредных выбросов.

Наряду с системой Desmodromic проблема зависания клапанов на современных двигателях решается и другими способами:

  1.  применением нескольких (двух-трех) пружин, расположенных одна в другой и предотвращающих резонансные колебания;
  2.  применением новых материалов и сплавов для изготовления клапанов и пружин, снижающих их вес;
  3.  использованием пневматического привода клапанов (на спортивных автомобилях Формулы-1).

Десмодромная схема газораспределения имеет ряд существенныхнедостатков, сдерживающих ее широкое применение:

  1.  высокая стоимость конструкции, обусловленная точностью сопряженных деталей;
  2.  сложность технического обслуживания, обусловленная наличием большого количества движущихся частей, склонных к износу;
  3.  высокий уровень шума;
  4.  громоздкость системы и как следствие применение на мотоциклетных двигателях.

Система Desmodromic не является идеальным техническим решением, но несмотря на это продолжает применяться по сей день.

Система управления цилиндрами (другие наименования – система отключения цилиндровсистема дезактивации цилиндров) предназначена для изменения рабочего объема двигателя за счет выключения из работы части цилиндров. Применение системы обеспечивает снижение расхода топлива до 20% и уменьшение вредных выбросов с отработавшими газами.

Предпосылкой разработки системы управления цилиндрами явился типовой режим эксплуатации автомобиля, при котором максимальная мощность используется до 30% за весь период работы. Таким образом, большую часть времени двигатель работает с неполной нагрузкой. В этих условиях дроссельная заслонка почти закрыта, а двигатель должен втягивать необходимое количество воздуха для работы. Это приводит к т.н. насосным потерям и дальнейшему снижению эффективности.

Система управления цилиндрами позволяет при небольшой нагрузке на двигатель отключить часть цилиндров, при этом для обеспечения необходимой мощности открывается дроссельная заслонка. В большинстве случаев система отключения цилиндров применяется на многоцилиндровых мощных двигателях (6, 8, 12 цилиндров), работа которых особенно неэффективна при небольших нагрузках.

Для того, чтобы выключить из работы конкретный цилиндр нужно выполнить два условия – перекрыть доступ воздуха и выпуск отработавших газов (закрыть впускной и выпускной клапаны) и перекрыть подачу топлива в цилиндр.

Регулирование подачи топлива в современных двигателях осуществляется с помощью электромагнитных форсунок с электронным управлением. Удержание в закрытом состоянии впускных и выпускных клапанов в конкретном цилиндре является достаточно сложной технической задачей, которую разные автопроизводители решают по-своему. Среди многообразия технических решений можно выделить три подхода:

  1.  применение толкателя специальной конструкции (системы Multi-Displacement System, Displacement on Demand);
  2.  возможностьвыключениякоромысла (системы Active Cylinder Control, Variable Cylinder Management);
  3.  использование кулачков распределительного вала разной формы (система Active Cylinder Technology).

Принудительная дезактивация цилиндров помимо неоспоримых преимуществ имеет ряд недостатков, среди которых дополнительные нагрузки на двигатель, вибрации и нежелательный шум.

Для предупреждения дополнительных нагрузок на двигатель в камере сгорания выключенного двигателя остается заряд отработавших газов от предыдущего рабочего цикла. Газы сжимаются при движении поршня вверх и давят на поршень при его движении вниз, тем самым обеспечивается уравнительный эффект.

Для снижения вибрации используются специальные гидравлические опоры двигателя, двухмассовый маховик. Снижение уровня шума производится в выпускной системе, в которой подобраны длины труб и использованы передний и задний глушители с резонаторами разного размера.

Впервые система управления цилиндрами была применена в 1981 году на автомобилях Cadillac. Система имела электромагнитные катушки, установленные на коромыслах. Срабатывание катушки обеспечивало неподвижность коромысла, а клапаны при этом под действием пружин были закрыты. В системе отключались противоположные пары цилиндров. Управление работой катушки осуществлял электронный блок. Информация о числе находящихся в работе цилиндров выводилась на панель приборов. Система не получила широкого признания, так как имела проблемы с подачей топлива во все цилиндры, в том числе и выключенные.

Система Active Cylinder ControlACC применялась на автомобилях Mercedes-Benz с 1999 года. Закрытие клапанов цилиндров обеспечивало коромысло особой конструкции, состоящее из двух рычагов, соединенных фиксатором. В рабочем положении фиксатор соединяет два рычага в единое целое. При дезактивации – фиксатор освобождает соединение и каждый из рычагов получает возможность двигаться самостоятельно. Клапаны, при этом, под действием пружин закрыты. Перемещение фиксатора осуществляется давлением масла, которое регулирует специальный электромагнитный клапан. Топливо в отключаемые цилиндры не подается.

Для сохранения характерного звука работы многоцилиндрового двигателя при выключенных цилиндрах в выпускной системе установлен управляемый электроникой клапан, при необходимости изменяющий размер сечения выпускного тракта.

Система Multi-Displacement System,MDS устанавливается на автомобилях Chrysler, Dodge, Jeep с 2004 года. Система активируется (отключает цилиндры) при скорости свыше 30 км/ч и частоте вращения коленчатого вала двигателя до 3000 об/мин.

В системе MDS используется толкатель особой конструкции, который обеспечивает при необходимости разъединение распределительного вала и клапана (авторское название, дословно – устройство потери движения). В определенное время в толкатель под давлением подается масло и выдавливает блокирующий штифт, тем самым дезактивирует толкатель. Регулирование давления масла производится с помощью электромагнитного клапана.

Другая система управления цилиндрами Displacement on Demand,DoD (дословно – перемещение по требованию) аналогична предыдущей системе. Система DoD устанавливается на автомобили General Motors с 2004 года.

Отдельное место среди систем дезактивации цилиндров занимает система Variable Cylinder ManagementVCM от Honda, применяемая с 2005 года. При равномерном движении на небольшой скорости система VCM отключает один блок цилиндров V-образного двигателя (3 цилиндра из 6). При переходном режиме от максимальной мощности двигателя к неполной нагрузке система обеспечивает работу 4 цилиндров из шести.

Конструктивно система VCM базируется на системе изменения фаз газораспределения VTEC. Основу системы составляют коромысла, взаимодействующие с кулачками различной формы. При необходимости коромысла включаются или выключаются из работы блокирующим механизмом (фиксатором).

В помощь системе VCM разработаны другие системы. Система Active Engine Mounts регулирует величину вибраций двигателя. Система активного шумоподавленияActive Sound Control позволяет избавиться от нежелательный шумов в салоне автомобиля.

Система Active Cylinder Technology, ACT используется на автомобилях концерна Volkswagen с 2012 года. Объектом установки системы является двигатель TSI объемом 1,4 литра. Система ACT обеспечивает отключение двух цилиндров из четырех в пределе 1400-4000 об/мин.

Конструктивно система ACT базируется на системе изменения фаз газораспределения Valvelift System, реализованной в свое время на двигателях Audi. Система использует в своей работе кулачки различной формы, расположенные на скользящей по распределительному валу муфте. Кулачки и муфта образуют блок кулачков. Всего в двигателе четыре блока - два на впускном распредвале и два на выпускном вале.

Блоки кулачков перемещаются четырьмя исполнительными механизмами. Для перемещения блока в исполнительном механизме имеется стержень, который скользит по спиралевидной канавке блока и перемещает его. Исполнительные механизмы срабатывают по команде блока управления двигателем.

Степень сжатия – важная характеристика двигателя внутреннего сгорания, определяемая отношением объема цилиндра при нахождении поршня в нижней мертвой точке к объему в верхней мертвой точке (объему камеры сгорания). Повышение степени сжатия создает благоприятные условия для воспламенения и сгорания топливно-воздушной смеси и, соответственно, эффективного использования энергии. Вместе с тем, работа двигателя на разных режимах и разных топливах предполагает разную величину степени сжатия. Эти свойства в полной мере используются системой изменения степени сжатия.

Система обеспечивает повышение мощности и крутящего момента двигателя, снижение расхода топлива и вредных выбросов. Основная заслуга системы изменения степени сжатия в способности работы двигателя на разных марках бензина и даже разных топливах без ухудшения характеристик и детонации.

Создание двигателя с переменной степенью сжатия достаточно сложная техническая задача, в решении которой существует несколько подходов, заключающихся в изменении объема камеры сгорания. В настоящее время имеются опытные образцы таких силовых установок.

Пионером в создании двигателя с переменной степенью сжатия является фирма SAAB, представившая в 2000 году пятицилиндровый двигатель внутреннего сгорания, оборудованный системой Variable Compression. В двигателе использована объединенная головка блока цилиндров с гильзами цилиндров. Объединенный блок с одной стороны закреплен на валу, с другой взаимодействует с кривошипно-шатунным механизмом. КШМ обеспечивает смещение объединенной головки от вертикальной оси на 4°, чем достигается изменение степени сжатия в пределе от 8:1 до 14:1.

Необходимое значение степени сжатия поддерживается системой управления двигателем в зависимости от нагрузки (при максимальной нагрузке – минимальная степень сжатия, при минимальной – максимальная степень сжатия). Несмотря на впечатляющие результаты двигателя по мощности и крутящему моменту, силовая установка не пошла в серию, а работы по ней в настоящее время свернуты.

Более современной разработкой (2010 год) является 4-х цилиндровый двигатель от MCE-5 Development объемом 1,5 л. Помимо системы изменения степени сжатия двигатель оснащен другими прогрессивными системами – непосредственного впрыска иизменения фаз газораспределения.

Схема двигателя с переменной степенью сжатия MCE-5

Конструкция двигателя предусматриваетнезависимое изменение величины хода поршня в каждом цилиндре. Зубчатый сектор, выполняющий роль коромысла, с одной стороны взаимодействует с рабочим поршнем, с другой – с поршнем управления. Коромысло рычагом соединено с коленчатым валом двигателя.

Зубчатый сектор перемещается под действием поршня управления, выполняющего роль гидроцилиндра. Объем над поршнем заполнен маслом, объем которого регулируется клапаном. Перемещение сектора обеспечивает изменение положения верхней мертвой точки поршня, чем достигается изменение объема камеры сгорания. Соответственно изменяется степень сжатия в пределе от 7:1 до 20:1.

Двигатель MCE-5 имеет все шансы попасть в серию в ближайшей перспективе.

Еще дальше в своих исследованиях пошел Lotus Cars, представив двухтактный двигатель Omnivore (дословно – всеядное животное). Как заявлено, двигатель способен работать на любом виде жидкого топлива – бензин, дизельное топливо, этанол, спирт и др.

В верхней части камеры сгорания двигателя выполнена шайба, которая перемещается эксцентриковым механизмом и изменяет объем камеры сгорания. С такой конструкцией достигается рекордная степень сжатия 40:1. Тарельчатые клапаны в газораспределительном механизме двигателя Omnivore не используются.

Дальнейшее развитие системы сдерживает низкая топливная экономичность и экологичность двухтактных двигателей, а также их ограниченное применение на автомобилях

На современных автомобилях используются различные системы впрыска топлива. Система впрыска (другое наименование - инжекторная система, от injection – впрыск) как следует из названия, обеспечивает впрыск топлива.

Система впрыска используется как на бензиновых, так и дизельных двигателях. Вместе с тем, конструкции и работа систем впрыска бензиновых и дизельных двигателей существенным образом различаются.

В бензиновых двигателях с помощью впрыска образуется однородная топливно-воздушная смесь, которая принудительно воспламеняется от искры. В дизельных двигателях впрыск топлива производится под высоким давлением, порция топлива смешивается со сжатым (горячим) воздухом и почти мгновенно воспламеняется. Давление впрыска определяет величину порции впрыскиваемого топлива и соответственно мощность двигателя. Поэтому, чем больше давление, тем выше мощность двигателя.

Система впрыска топлива является составной частью топливной системы автомобиля. Основным рабочим органом любой системы впрыска является форсунка(инжектор).

Системы впрыска бензиновых двигателей

В зависимости от способа образования топливно-воздушной смеси различают следующие системы впрыска бензиновых двигателей:

  1.  система центрального впрыска;
  2.  система распределенного впрыска;
  3.  система непосредственного впрыска.

Системы центрального и распределенного впрыска являются системами предварительного впрыска, т.е. впрыск в них производится не доходя до камеры сгорания - во впускном коллекторе.

Центральный впрыск (моновпрыск) осуществляется одной форсункой, устанавливаемой во впускном коллекторе. По сути это карбюратор с форсункой. В настоящее время системы центрального впрыска не производятся, но все еще встречаются на легковых автомобилях. Преимуществами данной системы являются простота и надежность, а недостатками - повышенный расход топлива, низкие экологические показатели.

Система распределенного впрыска (многоточечная система впрыска) предполагает подачу топлива на каждый цилиндр отдельной форсункой. Образование топливно-воздушной смеси происходит во впускном коллекторе. Является самой распространенной системой впрыска бензиновых двигателей. Ее отличает умеренное потребление топлива, низкий уровень вредных выбросов, невысокие требования к качеству топлива.

Перспективной является система непосредственного впрыска. Впрыск топлива осуществляется непосредственно в камеру сгорания каждого цилиндра. Система позволяет создавать оптимальный состав топливно-воздушной смеси на всех режимах работы двигателя, повысить степень сжатия, тем самым обеспечивает полное сгорание смеси, экономию топлива, повышение мощности двигателя, снижение вредных выбросов. С другой стороны ее отличает сложность конструкции, высокие эксплуатационные требования (очень чувствительна к качеству топлива, особенно к содержанию в нем серы).

Системы впрыска бензиновых двигателей могут иметь механическое или электронное управление. Наиболее совершенным является электронное управление впрыском, обеспечивающее значительную экономию топлива и сокращение вредных выбросов.

Впрыск топлива в системе может осуществляться непрерывно или импульсно (дискретно). Перспективным с точки зрения экономичности является импульсный впрыск топлива, который используют все современные системы.

В двигателе система впрыска обычно объединена с системой зажигания и образует объединенную систему впрыска и зажигания (например, системы Motronic, Fenix). Согласованную работу систем обеспечивает система управления двигателем.

Системы впрыска дизельных двигателей

Впрыск топлива в дизельных двигателях может производиться двумя способами: в предварительную камеру или непосредственно в камеру сгорания.

Двигатели с впрыском в предварительную камеру отличает низкий уровень шума и плавность работы. Но в настоящее время предпочтение отдается системам непосредственного впрыска. Несмотря на повышенный уровень шума, такие системы имеют высокую топливную экономичность.

Определяющим конструктивным элементом системы впрыска дизельного двигателя является топливный насос высокого давления(ТНВД).

На легковые автомобили с дизельным двигателем устанавливаются различные конструкции систем впрыска:

  1.  система впрыска с рядным ТНВД;
  2.  система впрыска с распределительным ТНВД;
  3.  система впрыска насос-форсунками;
  4.  система впрыска Сommon Rail.

Прогрессивные системы впрыска - насос-форсунки и система Сommon Rail.

В системе впрыска насос-форсунками функции создания высокого давления и впрыска топлива объединены в одном устройстве – насос-форсунке. Насос-форсунка имеет постоянный (неотключаемый) привод от распределительного вала двигателя, поэтому подвержена интенсивному износу. Это качество насос-форсунки направляет предпочтения автопроизводителей в сторону системы Сommon Rail.

Работа системы впрыска Common Rail основана на подаче топлива к форсункам от общего аккумулятора высокого давления – топливной рампы (в переводе common rail - общая рампа). Другое название системы - аккумуляторная система впрыска. Для снижения уровня шума, улучшения самовоспламенения и снижения вредных выбросов в системе реализован многократный впрыск топлива - предварительный, основной и дополнительный.

Системы впрыска дизельных двигателей могут иметь механическое или электронное управление. В механических системах регулирование давления, объема и момента подачи топлива производится механическим способом. Электроника образуетсистему управления дизелем

Система центрального впрыска (моновпрыск) относится ксистемам впрыска топлива бензиновых двигателей. Работа системы основана на впрыске топлива одной форсункой, расположенной на впускном коллекторе двигателя.

Известными конструкциями системы центрального впрыска являютсясистемы Mono-Jetronic и Opel-Multec. Система впрыска Mono-Jetronic разработана фирмой Bosch в 1975 году. Система устанавливалась на автомобили марки Volkswagen, Audi .

Устройство системы впрыска Mono-Jetronic

Система Mono-Jetronic имеет следующее устройство:

  1.  регулятор давления;
  2.  центральная форсунка впрыска;
  3.  дроссельная заслонка с механическим приводом;
  4.  электросервопривод дроссельной заслонки;
  5.  электронный блок управления;
  6.  входные датчики.

Схема системы центрального впрыска Mono-Jetronic

Регулятор давления поддерживает постоянное рабочее давление в системе впрыска (0,1МПа). Кроме этого, с помощью регулятора в системе после выключения двигателя сохраняется остаточное давление, что препятствует образованию воздушных пробок и облегчает пуск двигателя.

Центральная форсунка впрыскаобеспечивает импульсный впрыск топлива. Форсунка представляет собой электромагнитный клапан. Управление клапаном осуществляется электрическим сигналом, поступающим от электронного блока управления. В конструкцию форсунки входит:

  1.  электромагнитная катушка (соленоид);
  2.  запорный клапан;
  3.  возвратная пружина;
  4.  распылительное сопло.

Дроссельная заслонка предназначена для регулирования объема поступающего воздуха. Дроссельная заслонка имеет два привода: механический и электрический. Механический привод осуществляется от педали газа.

Электросервопривод дроссельной заслонки служит для стабилизации оборотов холостого хода за счет принудительного открытия дроссельной заслоники.

Электронный блок управления осуществляет управление центральной форсункой впрыска (электромагнитным клапаном) и электросервоприводом дроссельной заслонкой. Блок управления включает микропроцессор и блок памяти. В блоке памяти помещена информация об эталонной характеристике впрыска (соотношение компонентов топливно-воздушной смести на всех режимах работы двигателя).

Входные датчики фиксируют текущее состояние работы двигателя. В системе используются следующие датчики:

  1.  датчик момента впрыска;
  2.  датчик положения дроссельной заслонки;
  3.  датчик температуры воздуха;
  4.  датчик температуры охлаждающей жидкости;
  5.  датчик оборотов двигателя;
  6.  выключатель сервопривода;
  7.  датчик концентрации кислорода.

По показаниям датчиков температуры воздуха и положения дроссельной заслонки рассчитывается необходимый объем воздуха в системе впрыска.

Масса всасываемого воздуха, через плотность, находится в прямой зависимости от температуры. Чем холоднее воздух, тем он более плотный, а значит обладает большей массой. Датчик температуры воздуха расположен перед центральной форсункой впрыска.

Дроссельная заслонка устроена так, что каждому ее положению соответствует определенное количество пропускаемого воздуха. Этот параметр фиксирует датчик положения дроссельной заслоники, представляющий собой потенциометр. Датчик положения дроссельной заслонки (дроссельный потенциометр) установлен непосредственно на оси привода заслонки.

В случае отказа датчиков температуры воздуха и положения дроссельной заслонки их работа дублируется сигналами датчика оборотов и датчика температуры охлаждающей жидкости(температуры двигателя).

Впрыск топлива осуществляется на основании сигналов датчика момента впрыска, которые подаются одновременно с сигналами на воспламенение топливно-воздушной смеси.

Выключатель сервопривода обеспечивает работу системы в режиме холостого хода двигателя. Замкнутое положение выключателя свидетельствует о режиме холостого хода, при этом включается электросервопривод дроссельной заслонки и поворачивает ее на определенный угол.

Датчик концентрации кислорода (кислородный датчик) предназначен для поддержания оптимального соотношения компонентов топливно-воздушной смеси. Датчик устанавливается ввыпускной системе:

  1.  в выпускном коллекторе;
  2.  на автомобилях с каталитическим нейтрализатором - перед нейтрализатором.

Принцип работы системы впрыска Mono-Jetronic

При работе двигателя сигналы от датчиков поступают в электронный блок управления. По совокупности сигналов и информации об эталонных характеристиках впрыска блок управления вычисляет начало и продолжительность открытия центральной форсунки. В соответствии с расчетными данными подается сигнал на электромагнитную катушку форсунки. Запорный клапан открывается. Бензин через сопло под давлением распыляется во впускном коллекторе и смешивается с воздухом. Образуемая топливно-воздушная смесь подается в камеры сгорания двигателя.

В Система распределенного впрыска (многоточечная система впрыска) относится к системам впрыска топлива бензиновых двигателей. Работа системы основана на впрыске топлива в каждый цилиндр отдельной форсункой.

По принципу действия системы распределенного впрыска топлива разделяются на системы непрерывного и импульсного впрыска.

В зависимости от вида управления различают системы распределенного впрыска с механическим и электронным управлением.

Известными конструкциями системы распределенного впрыска топлива являются:

  1.  система впрыска K-Jetronic;
  2.  система впрыска KE-Jetronic;
  3.  система впрыска L-Jetronic.

Основным производителем систем впрыска является фирма Bosch.

Система распределенного впрыска K-Jetronic является механической системой непрерывного впрыска топлива.

Система распределенного впрыска KЕ-Jetronic представляет собой механическую систему непрерывного впрыска топлива с электронным управлением.

Система распределенного впрыска L-Jetronic является системой импульсного впрыска с электронным управлением.

системе предусмотрена автоматическая стабилизация оборотов. На основании сигнала выключателя сервопривода электродвигатель открывает дроссельную заслонку на определенный угол, чем достигается устойчивая работа в режиме холостого хода.

Конструкция и принцип работы системы впрыска Opel-Multecаналогичны системе Mono-Jetronic.

Система непосредственного впрыска топлива является самой современной системой впрыска топлива бензиновых двигателей. Работа системы основана на впрыске топлива непосредственно в камеру сгорания двигателя.

Впервые система непосредственного впрыска была применена надвигателе GDI (Gasoline Direct Injection – непосредственный впрыск бензина), устанавливаемом на автомобили компании Mitsubishi. В настоящее время система непосредственного впрыска используется в двигателях многих автопроизводителей. Передовики Audi (двигатели TFSI) и Volkswagen (двигатели FSITSI), которые практически полностью перешли на бензиновые двигатели с непосредственным впрыском. Двигатели с непосредственным впрыском имеют в своем активе:

  1.  BMW (двигатели N54, N63);
  2.  Infiniti (двигатели M56);
  3.  Ford (двигатели EcoBoost);
  4.  General Motors (двигатели Ecotec);
  5.  Hyundai (двигатели Theta).
  6.  Mazda (двигатели Skyactiv);
  7.  Mercedes-Benz (двигатели CGI);

Применение системы непосредственного впрыска позволяет достичь до 15% экономии топлива, а также сокращения выброса вредных веществ с отработавшими газами.

Конструкция системы непосредственного впрыска топлива рассмотрена на примере системы, устанавливаемой на двигатели FSI (Fuel Stratified Injection – послойный впрыск топлива).

Система непосредственного впрыска составляет контур высокого давления топливной системы двигателя FSI и имеет следующее устройство:

  1.  топливный насос высокого давления;
  2.  регулятор давления топлива;
  3.  топливная рампа;
  4.  предохранительный клапан;
  5.  датчик высокого давления;
  6.  форсунки впрыска;
  7.  блок управления двигателем.

Схема системы непосредственного впрыска

Топливный насос высокого давления служит для подачи топлива к топливной рампе и далее к форсункам впрыска под высоким давлениям (3-11 МПА) в соответствии с потребностями двигателя. Основу конструкции насоса составляет один или несколько плунжеров. Насос приводится в действие от распределительного вала впускных клапанов.

Регулятор давления топлива обеспечивает дозированную подачу топлива насосом в соответствии с впрыском форсунки. Регулятор расположен в топливном насосе высокого давления. Топливная рампа служит для распределения топлива по форсункам впрыска и предотвращения пульсации топлива в контуре.Предохранительный клапан защищает элементы системы впрыска от предельных давлений, возникающих при температурном расширении топлива. Клапан устанавливается на топливной рампе.

Датчик высокого давления предназначен для измерения давления в топливной рампе. В соответствии с сигналами датчика блок управления двигателем может изменять давление в топливной рампе. Форсунка впрыска обеспечивает распыление топлива в камере сгорания для образования топливно-воздушной смеси.

Согласованную работу системы обеспечивает электронная система управления двигателем, которая является дальнейшим развитиемобъединенной системы впрыска и зажигания Motronic. Традиционно система управления двигателем объединяет входные датчики, блок управления и исполнительные механизмы.

Помимо датчика высокого давления топлива в интересах системы непосредственного впрыска работают датчик частоты вращения коленчатого вала, датчик положения распределительного вала, датчик положения педали газа, расходомер воздуха, датчик температуры охлаждающей жидкости, датчик температуры воздуха на впуске. В совокупности датчики обеспечивают необходимой информацией блок управления двигателем, на основании которой блок воздействует на исполнительные механизмы:

  1.  электромагнитные клапаны форсунок;
  2.  электромагнитный предохранительный клапан;
  3.  электромагнитный перепускной клапан.

Принцип действия системы непосредственного впрыска

Система непосредственного впрыска в результате работы обеспечивает несколько видов смесеобразования:

  1.  послойное смесеобразование;
  2.  стехиометрическое гомогенное смесеобразование;
  3.  гомогенное смесеобразование.

Многообразие в смесеобразовании определяет высокую эффективность использования топлива (экономия, качество образования смеси, ее полное сгорание, увеличение мощности, уменьшение вредных выбросов) на всех режимах работы двигателя.

Послойное смесеобразование используется при работе двигателя на малых и средних оборотах и нагрузках. Стехиометрическое (другое наименование – легковоспламеняемое) гомогенное (другое наименование – однородное) смесеобразование применяется при высоких оборотах двигателя и больших нагрузках. На бедной гомогенной смеси двигатель работает в промежуточных режимах.

При послойном смесеобразованиидроссельная заслонка почти полностью открыта, впускные заслонки закрыты. Воздух поступает в камеры сгорания с большой скоростью, с образованием воздушного вихря. Впрыск топлива производится в зону свечи зажигания в конце такта сжатия. За непродолжительное время до воспламенения в районе свечи зажигания образуется топливно-воздушная смесь с коэффициентом избытка воздуха от 1,5 до 3. При воспламенении смеси вокруг нее остается достаточно много чистого воздуха, выступающего в роли теплоизолятора.

Гомогенное стехиометрическое смесеобразование происходит при открытых впускных заслонках, дроссельная заслонка при этом открывается в соответствии с положением педали газа. Впрыск топлива производится на такте впуска, что способствует образованию однородной смеси. Коэффициент избытка воздуха составляет 1. Смесь воспламеняется и эффективно сгорает во всем объеме камеры сгорания.

Бедная гомогенная смесь образуется при максимально открытой дроссельной заслонке и закрытыми впускными заслонками. При этом создается интенсивное движение воздуха в цилиндрах. Впрыск топлива производится на такте впуска. Коэффициент избытка воздуха поддерживается системой управления двигателем на уровне 1,5. При необходимости в состав смеси добавляются отработавшие газы из выпускной системы, содержание которых может доходить до 25%.

Система Motronic является разновидностью системы управления двигателем. В ней объединены система электронного впрыска топлива и система электронного зажигания. Поэтому другое название системы - объединенная система впрыска и зажигания. Система Motronic (Мотроник) производится фирмой Bosch с 1979 года. Помимо Bosch объединенная система впрыска и зажигания выпускается фирмой Siemens под маркой Fenix.

Система Motronic имеет следующие разновидности:

  1.  Mono-Motronic;
  2.  KE-Motronic;
  3.  M-Motronic;
  4.  ME-Motronic;
  5.  MED-Motronic.

Система Mono-Motronic построена на основе системы центрального впрыска Mono-Jetronic, система KE-Motronic - системы распределенного впрыска KE-Jetronic, система M-Motronic - системы L-Jetronic. Система ME-Motronic является дальнейшим развитием системы M-Motronic, в которой применена дроссельная заслонка с электрическим приводом. Система MED-Motronic построена на базесистемы непосредственного впрыска топлива.

Конструкция объединенной системы впрыска и зажигания рассмотрена на примере системы М-Motronic. Система М-Motronic имеет следующее общее устройство:

  1.  входные датчики;
  2.  электронный блок управления;
  3.  исполнительные механизмы.

Схема системы впрыска М-Motronic

Входные датчики фиксируют текущее состояние работы двигателя. Система M-Motronic включает следующие входные датчики:

  1.  датчик положения распределительного вала;
  2.  датчик частоты вращения коленчатого вала;
  3.  расходомер воздуха;
  4.  датчик температуры всасываемого воздуха;
  5.  датчик температуры охлаждающей жидкости;
  6.  датчик положения дроссельной заслонки;
  7.  кислородный датчик;
  8.  и другие.

Электронный блок управления служит для приема, обработки и преобразования сигналов датчиков в управляющие сигналы для исполнительных устройств. В системе Motronic блок управления выполняет следующие функции:

  1.  дозирование количества топлива в соответствии с массой поступающего воздуха;
  2.  создание искрового заряда в определенный момент времени.

В современных системах управления помимо данных функций реализованы функции регулирования уровня токсичности отработавших газов,наддува воздухауправления геометрией впускного коллектора,изменением фаз газораспределения и ряд других.

В электронный блок управления входят следующие основные компоненты:

  1.  аналогово-цифровой преобразователь;
  2.  микропроцессор;
  3.  блок постоянной памяти;
  4.  блок оперативной памяти;
  5.  усилитель.

Исполнительные механизмы реализуют задуманное электронным блоком управления. К ним относятся:

  1.  форсунки впрыска;
  2.  катушки зажигания;
  3.  электропривод топливного насоса;
  4.  клапан в системе рециркуляции отработавших газов;
  5.  запорный клапан в системе улавливания паров бензина;
  6.  электромагнитный клапан в системе изменения фаз газораспределения.

Принцип действия системы М-Мotronic

От входных датчиков в электронный блок управления поступают аналоговые сигналы, характеризующие текущее состояние работы двигателя. В аналогово-цифровом преобразователе аналоговые сигналы преобразуются в цифровую информацию.

Электронный бок управления обрабатывает поступающую информацию с помощью программы, заложенной в блок постоянной памяти. Для выполнения вычислений используются блок оперативной памяти. На основании проведенных вычислений формируются электрические сигналы, которые после усиления используются для управления исполнительными механизмами систем двигателя.

Система впрыска Common Rail является современной системой впрыска топлива дизельных двигателей. Работа системы Common Rail основана на подаче топлива к форсункам от общего аккумулятора высокого давления – топливной рампы (Common Rail в переводе общая рампа). Система впрыска разработана специалистами фирмыBosch.

Применение данной системы позволяет достигнуть снижения расхода топлива, токсичности отработавших газов, уровня шума дизеля. Главным преимуществом системы Common Rail является широкий диапазон регулирования давления топлива и момента начала впрыска, которые достигнуты за счет разделения процессов создания давления и впрыска.

Конструктивно система впрыска Common Rail составляет контур высокого давления топливной системы дизельного двигателя. В системе используется непосредственный впрыск топлива, т.е. дизельное топливо впрыскивается непосредственно в камеру сгорания. Система Common Rail имеет следующее устройство:

  1.  топливный насос высокого давления;
  2.  клапан дозирования топлива;
  3.  регулятор давления топлива (контрольный клапан);
  4.  топливная рампа;
  5.  форсунки;
  6.  топливопроводы.

Схема системы впрыска Common Rail

Топливный насос высокого давления(ТНВД) служит для создания высокого давления топлива и его накопления в топливной рампе. Современные топливные насосы высокого давления плунжерного типа.

Клапан дозирования топливарегулирует количество топлива, подаваемого к топливному насосу высокого давления в зависимости от потребности двигателя. Клапан конструктивно объединен с ТНВД.

Регулятор давления топлива предназначен для управления давлением топлива в системе, в зависимости от нагрузки на двигатель. Он устанавливается в топливной рампе.

Топливная рампа предназначена для выполнения нескольких функций:

  1.  накопления топлива и содержание его под высоким давлением;
  2.  смягчения колебаний давления, возникающих вследствие пульсации подачи от ТНВД;
  3.  распределения топлива по форсункам.

Форсунка важнейший элемент системы, непосредственно осуществляющий впрыск топлива в камеру сгорания двигателя. Форсунки связаны с топливной рампой топливопроводами высокого давления. В системе используются следующие конструкции форсунок:

  1.  электрогидравлическая форсунка;
  2.  пьезофорсунка.

Впрыск топлива электрогидравлической форсункой осуществляется за счет управления электромагнитным клапаном. Активным элементом пьезофорсунки являются пьезокристаллы, значительно повышающие скорость работы форсунки.

Управление работой системой впрыска Common Rail обеспечиваетсистема управления дизелем, которая включает:

  1.  датчики;
  2.  блок управления двигателем;
  3.  исполнительные механизмы систем двигателя.

Система управления дизелем включает следующие датчики:

  1.  датчик оборотов двигателя;
  2.  датчик холла;
  3.  датчик положения педали газа;
  4.  расходомер воздуха;
  5.  датчик температуры охлаждающей жидкости;
  6.  датчик давления воздуха;
  7.  датчик температуры воздуха;
  8.  датчик давления топлива;
  9.  кислородный датчик (лямбда-зонд);
  10.  и др.

Основными исполнительными механизмами системы впрыска Common Rail являются:

  1.  форсунки;
  2.  клапан дозирования топлива;
  3.  регулятор давления топлива.

Принцип действия системы впрыска Common Rail

На основании сигналов, поступающих от датчиков, блок управления двигателем определяет необходимое количество топлива, которое топливный насос высокого давления подает через клапан дозирования топлива. Насос накачивает топливо в топливную рампу. Там оно находится под определенным давлением, обеспечиваемым регулятором давления топлива.

В нужный момент блок управления двигателем дает команду соответствующим форсункам на начало впрыска и обеспечивает определенную продолжительность открытия клапана форсунки. В зависимости от режимов работы двигателя блок управления двигателем корректирует параметры работы системы впрыска.

С целью повышения эффективной работы двигателя в системе Common Rail реализуется многократный впрыск топлива в течение одного цикла работы двигателя. При этом различают:

  1.  предварительный впрыск;
  2.  основной впрыск;
  3.  дополнительный впрыск.

Предварительный впрыск небольшого количества топлива производится перед основным впрыском для повышения температуры и давления в камере сгорания, чем достигается ускорение самовоспламенения основного заряда, снижение шума и токсичности отработавших газов. В зависимости от режима работы двигателя производится:

  1.  два предварительных впрыска - на холостом ходу;
  2.  один предварительный впрыск - при повышении нагрузки;
  3.  предварительный впрыск не производится - при полной нагрузке.

Основной впрыск обеспечивает работу двигателя.

Дополнительный впрыск производится для повышения температуры отработавших газов и сгорания частиц сажи в сажевом фильтре(регенерация сажевого фильтра).

Развитие системы впрыска Common Rail осуществляется по пути увеличения давления впрыска:

  1.  первое поколение – 140 МПа, с 1999 года;
  2.  второе поколение – 160 МПа, с 2001 года;
  3.  третье поколение – 180 МПа, с 2005 года;
  4.  четвертое поколение – 220 МПа, с 2009 года.

Чем выше давление в системе впрыска, тем больше топлива можно впрыснуть в цилиндр за равный промежуток времени и, соответственно, реализовать большую мощность.

Система впрыска насос-форсунками является современной системой впрыска топлива дизельных двигателей. В отличии отсистемы впрыска Common Rail в данной системе функции создания высокого давления и впрыска топлива объединены в одном устройстве – насос-форсунке. Собственно насос-форсунка и составляет одноименную систему впрыска.

Применение насос-форсунок позволяет повысить мощность двигателя, снизить расход топлива, выбросы вредных веществ, а также уровень шума.

В системе на каждый цилиндр двигателя приходится своя форсунка. Привод насос-форсунки осуществляется отраспределительного вала, на котором имеются соответствующие кулачки. Усилие от кулачков передается через коромысло непосредственно к насос-форсунке.

Насос-форсунка имеет следующее устройство:

  1.  плунжер;
  2.  клапан управления;
  3.  запорный поршень;
  4.  обратный клапан;
  5.  игла распылителя.

Схема насос-форсунки

Плунжер служит для создания давления топлива. Поступательное движение плунжера осуществляется за счет вращения кулачков распределительного вала, возвратное – за счет плунжерной пружины.

Клапан управления предназначен для управления впрыском топлива. В зависимости от привода различают следующие виды клапанов:

  1.  электромагнитный;
  2.  пьезоэлектрический.

Пьезоэлектрический клапан пришел на сменуэлектромагнитному клапану. Пьезоэлектрический клапан обладает большим быстродействием. Основным конструктивным элементом клапана является игла клапана.

Пружина форсунки обеспечивает посадку иглы распылителя на седло.

Усилие пружины при необходимости поддерживается давлением топлива. Данная функция реализуется с помощью запорного поршня и обратного клапана.

Игла распылителя предназначена для обеспечения непосредственного впрыска топлива в камеру сгорания.

Управление насос-форсунками осуществляет система управления двигателем. Блок управления двигателем на основании сигналов датчиков управляет клапаном насос-форсунки.

Принцип действия насос-форсунки

Конструкция насос-форсунки обеспечивает оптимальное и эффективное образование топливно-воздушной смеси. Для этого в процессе впрыска топлива предусмотрены следующие фазы:

  1.  предварительный впрыск;
  2.  основной впрыск;
  3.  дополнительный впрыск.

Предварительный впрыск производится для достижения плавности сгорания смеси при основном впрыске. Основной впрыск обеспечивает качественное смесеобразование на различных режимах работы двигателя. Дополнительный впрыскосуществляется для регенерации (очистки от накопленной сажи) сажевого фильтра.

Работа насос-форсунки осуществляется следующим образом. Кулачек распределительного вала через коромысло перемещает плунжер вниз. Топливо перетекает по каналам форсунки. При закрытии клапана происходит отсечка топлива. Давление топлива начинает расти. При достижении давления 13 МПа игла распылителя, преодолевая усилие пружины, поднимается и происходит предварительный впрыск топлива.

Предварительный впрыск топлива прекращается при открытии клапана. Топливо переливается в питающую магистраль. Давление топлива снижается. В зависимости от режимов работы двигателя может осуществляться один или два предварительных впрыска топлива.

Основной впрыск производится при дальнейшем движении плунжера вниз. Клапан снова закрывается. Давление топлива начинает расти. При достижении давления 30 МПа, игла распылителя, преодолевая усилие пружины и давление топлива, поднимается и происходит основной впрыск топлива.

Чем выше давление, тем больше количества топлива сжимается и соответственно больше впрыскивается в камеру сгорания двигателя. При максимальном давлении 220 МПа впрыскивается наибольшее количество топлива, тем самым обеспечивается максимальная мощность двигателя.

Основной впрыск топлива завершается при открытии клапана. При этом падает давление топлива и закрывается игла распылителя.

Дополнительный впрыск выполняется при дальнейшем движении плунжера вниз. Принцип действия насос-форсунки при дополнительном впрыске аналогичен основному впрыску. Обычно производится два дополнительных впрыска топлива.

Топливный насос высокого давления (сокращенное наименование – ТНВД) является одним из основных конструктивных элементов системы впрыска дизельного двигателя. Насос, выполняет, как правило, две основные функции: нагнетание под давлением определенного количества топлива; регулирование необходимого момента начала впрыскивания. С появлением аккумуляторных систем впрыска функция регулирования момента впрыска возложена на управляемые электроникой форсунки.

Основу топливного насоса высокого давления составляетплунжерная пара, которая объединяет поршень (он же плунжер) и цилиндр (он же втулка) небольшого размера. Плунжерная пара изготавливается из высококачественной стали с высокой точностью. Между плунжером и втулкой обеспечивается минимальный зазор – прецизионное сопряжение.

В зависимости от конструкции различают следующие виды топливных насосов высокого давления:

  1.  рядный;
  2.  распределительный;
  3.  магистральный.

В рядном насосе нагнетание топлива в цилиндр производится отдельной плунжерной парой. Распределительный насос имеет один или несколько плунжеров, которые обеспечивают нагнетание и распределение топлива по всем цилиндрам. Магистральные насосы осуществляют только нагнетание топлива в аккумулятор.

Топливный насос высокого давления используется также всистеме непосредственного впрыска бензинового двигателя, но его рабочее давление на порядок ниже аналогичной характеристики дизельного насоса.

Ведущими производителями топливных насосов высокого давления являются, в основном, зарубежные фирмы: BoschLucasDelphi,DensoZexel.

Рядный топливный насос высокого давления

Рядный ТНВД имеет плунжерные пары по числу цилиндров. Плунжерные пары установлены в корпусе насоса, в котором выполнены каналы для подвода и отвода топлива. Движение плунжера осуществляется от кулачкового вала, который в свою очередь имеет привод от коленчатого вала двигателя. Плунжеры постоянно прижимаются к кулачкам с помощью пружин.

При вращении кулачкового вала кулачок набегает на толкатель плунжера. Плунжер двигается вверх по втулке, при этом последовательно закрываются выпускное и впускное отверстие. Создается давление, при котором открывается нагнетательный клапан, и топливо по топливопроводу поступает к соответствующей форсунке.

Устройство рядного топливного насоса высокого давления

Регулирование количества подаваемого топлива и момента его подачи может осуществляться механическим путем или с помощью электроники. Механическоерегулирование количества подаваемого топливаосуществляется поворотом плунжера во втулке. Для поворота на плунжере выполнена шестерня, которая соединена с зубчатой рейкой. Рейка связана с педалью газа. Верхняя кромка плунжера имеет наклонную поверхность, поэтому при повороте отсечка топлива и соответственно его количество будет изменяться.

Изменение момента начала подачи топлива требуется при изменении частоты вращения коленчатого вала двигателя. Механическое регулирование момента подачи топлива производится с помощью центробежной муфты, расположенной на кулачковом валу. Внутри муфты находятся грузики, которые при увеличении оборотов двигателя расходятся под действием центробежных сил и поворачивают кулачковый вал относительно привода. При увеличении оборотов двигателя обеспечивается ранний впрыск топлива, при уменьшении – поздний.

Конструкция рядных ТНВД обеспечивает высокую надежность. Насосы смазываются моторным маслом системы смазки двигателя, поэтому могут работать на топливе низкого качества. Рядные топливные насосы высокого давления применяются на двигателях с раздельными камерами сгорания и непосредственным впрыском средних и тяжелых грузовых автомобилей. На легковых дизелях данный вид насоса применялся до 2000 года.

Распределительный топливный насос высокого давления

Распределительные топливные насосы высокого давления, в отличие от рядного ТНВД, имеют один или два плунжера, обслуживающих все цилиндры двигателя. Распределительные насосы обладают меньшей массой и габаритными размерами, а также обеспечивают большую равномерность подачи. С другой стороны их отличает сравнительно низкая долговечность сопряженных деталей. Все это определяет область применения данных насосов, в основном, на двигателях легковых автомобилей.

Конструкции распределительных топливных насосов высокого давления могут иметь различный привод плунжера:

  1.  торцевой кулачковый привод (насосы Bosch VE);
  2.  внутренний кулачковый привод (роторные насосы Bosch VR, Lucas DPC, Lucas DPS);
  3.  внешний кулачковый привод (отечественные насосы НД-21, НД-22).

Предпочтительными в плане эксплуатации являются первые два типа привода плунжеров, т.к. в них отсутствуют силовые нагрузки от давления топлива на узлы приводного вала и, соответственно, выше долговечность.

Устройство распределительного топливного насоса высокого давления

Основным элементом распределительного ТНВД с торцевым кулачковым приводом плунжера (Bosch VE) является плунжер-распределитель, который совершает возвратно-поступательное и вращательное движение, обеспечивая нагнетание и распределение топлива по цилиндрам.

Возвратно-поступательное движение плунжера происходит при вращении кулачковой шайбы, которая обегает неподвижное кольцо по роликам. Шайба нажимает на плунжер, за счет чего создается давление топлива. В исходное положение плунжер возвращается с помощью пружины.

Вращение плунжера производится от приводного вала. При этом происходит распределение топлива по цилиндрам.

Регулирование величины подачи топлива осуществляется автоматически с помощью механического или электронного устройств. Механический регулятор включает центробежную муфту с грузами, которая через систему рычагов воздействует на дозатор, изменяющий величину топливоподачи. Электронный регулятор представляет собой электромагнитный клапан.

Регулирование величины опережения впрыска топлива в распределительном насосе производится путем поворота неподвижного кольца на определенный угол.

Рабочий процесс распределительного насоса включает впуск топлива в надплунжерное пространство, нагнетание и распределение в соответствующие цилиндры.

Устройство распределительного насоса роторного типа

В распределительном насосе роторного типа нагнетание и распределение топлива по цилиндрам осуществляются разными устройствами плунжером и распределительной головкой. Нагнетание топлива производится с помощью двух противолежащих плунжеров, расположенных на распределительном валу. Плунжеры через ролики обегают профиль кулачковой обоймы и совершают возвратно-поступательное движение.

При движении плунжеров навстречу друг другу происходит рост давления топлива, после чего топливо по каналам распределительной головки и нагнетательным клапанам доставляется к форсункам соответствующих цилиндров.

Топливо к плунжеру (плунжерам) подается под небольшим давлением, которое создает топливоподкачивающий насос. В распределительных насосах топливоподкачивающий насос установлен на приводном валу в корпусе насоса. Конструктивно это может быть роторно-лопастной насос, шестеренный насос с внешним или внутренним зацеплением.

Смазка распределительного насоса высокого давления производится дизельным топливом, которое заполняет корпус насоса.

Магистральный топливный насос высокого давления

Магистральный топливный насос высокого давления используется в аккумуляторной системе впрыска топлива Common Rail, где он выполняет функцию нагнетания топлива в топливную рампу. Магистральные ТНВД обеспечивают более высокое давление топлива (в современных системах впрыска порядка 180 МПА и более).

Конструктивно магистральный насос может иметь один, два или три плунжера. Привод плунжеров осуществляется с помощью кулачкового вала или кулачковой шайбы.

Устройство магистрального топливного насоса высокого давления

При вращении кулачкового вала (эксцентрика кулачковой шайбы) под действием возвратной пружины плунжер движется вниз. Увеличивается объем компрессионной камеры и уменьшается давление в ней. Под действием разряжения открывается впускной клапан, и топливо поступает в камеру.

Движение плунжера вверх сопровождается ростом давления в камере, впускной клапан закрывается. При определенном давлении открывается выпускной клапан и топливо подается в рампу.

Управление подачей топлива производится в зависимости от потребности двигателя с помощью клапана дозирования топлива. В нормальном положении клапан открыт. По сигналу электронного блока управления клапан закрывается на определенную величину, тем самым регулируется количество поступающего в компрессионную камеру топлива.

Форсунка (другое название - инжектор), являясь конструктивным элементом системы впрыска, предназначена для дозированной подачи топлива, его распыления в камере сгорания (впускном коллекторе) и образования топливно-воздушной смеси.

Форсунка используется в системах впрыска как бензиновых, так и дизельных двигателей. На современных двигателях устанавливаютсяфорсунки с электронным управлением впрыска.

В зависимости от способа осуществления впрыска различают следующие виды форсунок:

  1.  электромагнитная;
  2.  электрогидравлическая;
  3.  пьезоэлектрическая.

Электромагнитная форсунка

Электромагнитная форсунка устанавливается, как правило, на бензиновых двигателях, в т.ч. оборудованных системой непосредственного впрыска. Форсунка имеет достаточно простое устройство, включающее электромагнитный клапан с иглой и сопло.

Устройство электромагнитной форсунки

Работа электромагнитной форсункиосуществляется следующим образом. В соответствии с заложенным алгоритмом электронный блок управления обеспечивает в нужный момент подачу напряжения на обмотку возбуждения клапана. При этом создается электромагнитное поле, которое преодолевая усилие пружины, втягивает якорь с иглой и освобождает сопло. Производится впрыск топлива. С исчезновением напряжения, пружина возвращает иглу форсунки на седло.

Электрогидравлическая форсунка

Электрогидравлическая форсунка используется на дизельных двигателях, в т.ч. оборудованныхсистемой впрыска Common Rail. Конструкция электрогидравлической форсунки объединяет электромагнитный клапан, камеру управления, впускной и сливной дроссели.

Устройство электрогидравлической форсунки

Принцип работы электрогидравлической форсунки основан на использовании давления топлива, как при впрыске, так и при его прекращении. В исходном положении электромагнитный клапан обесточен и закрыт, игла форсунки прижата к седлу силой давления топлива на поршень в камере управления. Впрыск топлива не происходит. При этом давление топлива на иглу ввиду разности площадей контакта меньше давления на поршень.

По команде электронного блока управления срабатывает электромагнитный клапан, открывая сливной дроссель. Топливо из камеры управления вытекает через дроссель в сливную магистраль. При этом впускной дроссель препятствует быстрому выравниванию давлений в камере управления и впускной магистрали. Давление на поршень снижается, а давление топлива на иглу не изменяется, под действием которого игла поднимается и происходит впрыск топлива.

Пьезоэлектрическая форсунка

Самым совершенным устройством, обеспечивающим впрыск топлива, является пьезоэлектрическая форсунка (пьезофорсунка). Форсунка устанавливается на дизельных двигателях, оборудованных системой впрыска Common Rail.

Преимуществами пьезофорсунки являются:

  1.  быстрота срабатывания (в 4 раза быстрее электромагнитного клапана), и как следствие возможность многократного впрыска топлива в течение одного цикла;
  2.  точная дозировка впрыскиваемого топлива.

Это стало возможным благодаря использованиюпьезоэффекта в управлении форсункой, основанного на изменении длины пьезокристалла под действием напряжения. Конструкция пьезоэлектрической форсунки включает пьезоэлемент, толкатель, переключающий клапан и иглу, помещенные в корпусе.

Устройство пьезоэлектрической форсунки

В работе пьезофорсунки, также как и электрогидравлической форсунки, используется гидравлический принцип. В исходном положении игла посажена на седло за счет высокого давления топлива. При подаче электрического сигнала на пьезоэлемент, увеличивается его длина, которая передает усилие на поршень толкателя. Открывается переключающий клапан, топливо поступает в сливную магистраль. Давление выше иглы падает. Игла за счет давления в нижней части поднимается и производится впрыск топлива.

Количество впрыскиваемого топлива определяется:

  1.  длительностью воздействия на пьезоэлемент;
  2.  давлением топлива в топливной рампе.

Топливная система (другое наименование система питания топливом) предназначена для питания двигателя автомобиля топливом, а также его хранения и очистки.

Топливная система автомобиля имеет следующее устройство:

  1.  топливный бак;
  2.  топливный насос;
  3.  датчик уровня топлива;
  4.  топливный фильтр;
  5.  топливопроводы;
  6.  система впрыска.

Топливная система бензинового и дизельного двигателей имеет, в основном, аналогичное устройство. Принципиальные отличия имеет система впрыска.

Топливный бак предназначен для хранения запаса топлива, необходимого для работы двигателя. Топливный бак в легковом автомобиле обычно располагается в задней части на днище кузова. Емкость топливного бака обеспечивает в среднем 500 км пробега конкретного автомобиля. Топливный бак изолирован от атмосферы. Вентиляцию топливного бака производит система улавливания паров бензина.

Топливный насос подает топливо в систему впрыска и поддерживает рабочее давление в топливной системе. Топливный насос устанавливается в топливном баке и имеет электрический привод. При необходимости используется дополнительный (подкачивающий) насос (не путать с топливным насосом высокого давления системы впрыска дизельных двигателей и системы непосредственного впрыска).

В топливном баке вместе с насосом устанавливается датчик уровня топлива. Конструкция датчика включает поплавок и потенциометр. Перемещение поплавка при изменении уровня топлива в баке приводит к изменению положения потенциометра. Это, в свою очередь, приводит к повышению сопротивления в цепи и уменьшению напряжения на указателе запаса топлива.

Очистка поступающего топлива осуществляется в топливном фильтре. На современных автомобилях в топливный фильтр встроен редукционный клапан, регулирующий рабочее давление в системе. Излишки топлива отводятся от клапана по сливному топливопроводу. На двигателях с непосредственным впрыском топлива редукционный клапан в топливном фильтре не устанавливается.

Топливный фильтр топливной системы дизельных двигателей имеет несколько иную конструкцию, но суть его работы остается прежней. С определенной периодичностью производится замена топливного фильтра в сборе или, только, фильтрующего элемента.

Топливо в системе циркулирует по топливопроводам. Различают подающий и сливной топливопроводы. В подающем топливопроводе поддерживается рабочее давление. По сливному топливопроводу излишки топлива удаляются в топливный бак.

Система впрыска предназначена для образования топливно-воздушной смеси за счет впрыска топлива.

Работа топливной системы осуществляется следующим образом. При включении зажигания топливный насос закачивает топливо в систему. При прохождении через топливный фильтр происходит его очистка. Далее топливо поступает в систему впрыска, где происходит распыление и образование топливно-воздушной смеси.

На некоторых автомобилях рабочее давление в топливной системе создается при открытии водительской двери (включается топливный насос).

Бензиновый двигатель FSI (Fuel Stratified Injection – послойный впрыск топлива) является современным двигателем внутреннего сгорания с непосредственным впрыском топлива. Впервые двигатель FSI был установлен на автомобилях Volkswagen в 2000 году.

Конструкция топливной системы двигателя FSI имеет два контура:

  1.  контур низкого давления;
  2.  контур высокого давления.

Контур низкого давления имеет следующее устройство:

  1.  топливный бак;
  2.  топливный насос;
  3.  топливный фильтр;
  4.  датчик низкого давления.

Схема топливной системы двигателя FSI

Основным элементом контура низкого давления является топливный насос, который служит для подачи топлива в контур низкого давления. Топливный насос встроен в топливный бак. Насос создает давление порядка 0,05-0,5МПа. Управление производительностью насоса осуществляется соответствующим блоком управления, объединенным с топливным насосом.

Топливный насос обеспечивает подачу строго определенного количества топлива в систему, необходимого для работы двигателя. Это достигается за счет постоянного измерения давления топлива в контуре датчиком низкого давления.

Сигнал от датчика поступает в блок управления двигателем. Значение сигнала сопоставляется со стандартным значением для конкретного режима работы двигателя. При отличии давления от стандартного значения, блок управления двигателем подает сигнал блоку управления топливным насосом. Блок управления топливным насосом изменяет обороты вращения насоса, тем самым изменяет его производительность и давление в контуре.

Контур высокого давления составляет систему непосредственного впрыска топлива.

Особенностью дизельного топлива является увеличение вязкости при понижении температуры, которое сопровождается помутнением, кристаллизацией и дальнейшим застыванием. При значительном повышении вязкости нарушается нормальная работа топливной системы, вплоть до полного прекращения подачи дизельного топлива. Для противодействия указанным негативным факторам на легковых и грузовых автомобилях применяются подогреватели дизельного топлива.

Подогреватели дизельного топлива выполняют, как правило, две функции:

  1.  подогрев дизельного топлива при запуске двигателя (предпусковой подогрев);
  2.  поддержание определенной температуры дизельного топлива при работе двигателя (маршевый подогрев).

Данные функции могут быть реализованы как раздельно, так и совместно. В последнем случае речь идет о системе подогрева дизельного топлива.

Ведущими производителями подогревателей дизельного топлива являются фирмы Alternative Technology Group GmbHATG(модель Diesel Therm), Parker(модель Racor), Номакон (НОвыеМАтериалы и КОНструкции).

Предпусковые подогреватели дизельного топлива

К предпусковым подогревателям дизельного топлива относятся:

  1.  подогреватели фильтра тонкой очистки;
  2.  гибкие ленточные подогреватели;
  3.  подогреваемые топливозаборники.

В основе данных устройств лежит электрический нагревательный элемент, питающийся от аккумуляторной батареи.

Фильтр тонкой очистки топлива – самое уязвимое место топливной системы, потому что именно его пропускная способность нарушается вследствие низкой температуры. Для подогрева фильтра тонкой очистки используется подогреватели бандажного(накладного) типа. Подогреватель включается водителем из салона на 3-5 мин и обеспечивает предпусковой подогрев в интервале отрицательных температур от -5 до -40°С.

Гибкие ленточные подогреватели ввиду своей универсальности могут устанавливаться в различных местах топливной системы (топливопроводы, топливный фильтр). Они обеспечивают как предпусковой, так и маршевый подогрев топлива.

Предпусковые подогреваемые топливозаборники снабжены электрическим нагревательным элементом. При работе двигателя подогрев топливозаборника может осуществляться путем теплового обмена с нагретой охлаждающей жидкостью или топливом обратной подачи.

Маршевые подогреватели дизельного топлива

Подогрев дизельного топлива в движении может осуществляться двумя способами:

  1.  электрическим;
  2.  жидкостным.

К электрическим маршевым подогревателям относятся проточные подогреватели и гибкие ленточные подогреватели. Проточный подогреватель устанавливается, как правило. перед фильтром тонкой очистки в разрезе топливопровода. Электропитание данных устройств производится от работающего автомобильного генератора.

Жидкостные подогреватели дизельного топлива представлены подогреваемыми топливозаборниками и змеевиками. Змеевикпредставляет собой трубопровод охлаждающей жидкости спиральной формы, охватывающий соответствующий топливопровод.

Электрические предпусковые и маршевые подогреватели могут объединяться в систему подогрева дизельного топлива. В зависимости от температуры воздуха электронный блок управления обеспечивает поддержание оптимальной температуры дизельного топлива, путем активизации определенных подогревателей.

Топливный бак - важный конструктивный элемент топливной системы. Он предназначен для безопасного хранения определенного количества топлива (бензин, дизельное топливо, газ и др.), предотвращения его утечек и ограничения выбросов в результате испарения.

На легковых автомобилях топливный бак устанавливается, как правило, перед задней осью под задним сиденьем, вне зоны деформации автомобиля при ударе сзади. Объем топливного бака должен обеспечивать автономный пробег автомобиля в пределе 400-600 км. Бак закрепляется на кузове автомобиля ленточными хомутами. С нижней части топливного бака может устанавливаться металлическая защита от повреждений. Для предотвращения нагрева топливного бака от элементов выпускной системы применяются теплоизолирующие прокладки.

Топливные баки изготавливаются из металла (алюминий, сталь) или пластмассы. Самым популярным материалом в настоящее время является пластмасса (полиэтилен высокой плотности). Преимуществом пластмассовых баков является наилучшее использование пространства для установки, т.к. при изготовлении (формовке) можно получить топливный бак любой формы, а значит добиться максимального его объема.

Пластик не подвержен коррозии, вместе с тем, стенки бака проницаемы для углеводородов на молекулярном уровне. Для предотвращения микроутечек топлива пластиковые баки изготавливаются многослойными. В некоторых конструкциях внутренняя поверхность бака покрывается фтором, препятствующим утечкам.

Металлические топливные баки свариваются из штампованного листа. Алюминий используется для хранения бензина, дизтоплива, сталь – для газа. С целью оптимизации свободного пространства для каждого нового автомобиля разрабатывается свой топливный бак. При этом для одной модели автомобиля топливные баки могут различаться в зависимости от типа кузова, типа двигателя, конструкции топливной системы, системы впрыска, климатического исполнения.

Заправка топливного бака производится через заливную горловину, которая располагается слева или справа над задним крылом. Предпочтительным является левое расположение заливной горловины (расположение со стороны водителя), при котором по окончании заправки меньше шансов оставить заправочный пистолет в горловине и уехать вместе с ним.

С топливным баком заливная горловина соединена трубопроводом. Сечение заливной горловины и трубопровода должно обеспечивать скорость заправки топливного бака порядка 50 литров в минуту. Горловина топливного бака запирается винтовой крышкой. На автомобилях Ford применяется заливная горловина топливного бака без крышки – система Easy Fuel. Снаружи горловина закрыта лючком, оборудованным замком. Замок лючка бензобака отпирается из салона с помощью электрического (электродвигатель) или механического (трос) привода.

Топливо в систему подается через выходной топливопровод, избытки топлива возвращаются обратно в бак по сливному топливопроводу. В автомобилях с бензиновыми двигателями в топливном баке устанавливается электрический топливный насос, обеспечивающий нагнетание топлива в систему. В конструкции автомобиля предусматривается технологический доступ к насосу (лючок в кузове).

Для контроля уровня топлива в баке устанавливается соответствующий датчик. Он образует единый блок с топливным насосом (бензиновые двигатели) или устанавливается отдельно (дизели). Датчик состоит из поплавка и потенциометра. При снижении уровня топлива поплавок опускается, изменяется сопротивление связанного с ним потенциометра и уменьшается напряжение в цепи. При этом отклоняется стрелка указателя уровня топлива на панели приборов. В топливных баках сложной конструкции и большого объема может устанавливаться два датчика контроля уровня топлива, работающих совместно.

Для эффективной работы топливного бака в нем должно постоянно поддерживаться атмосферное давление. Данную задачу решаетсистема вентиляции топливного бака, которая:

  1.  нейтрализует разряжение, возникающее при потреблении топлива из бака;
  2.  способствует вытеснению избытка воздуха, возникающего при заправке топливного бака;
  3.  противодействует повышению давления в связи с нагревом топлива.

При пониженном давлении топливный бак может деформироваться, а подача топлива прекратиться, при высоком давлении – разорваться.

На современных автомобилях используется система вентиляции топливного бака закрытого типа, т.е. топливный бак не имеет непосредственного соединения с атмосферой. Схемы системы вентиляции топливного бака, используемые на автомобилях, могут существенным образом отличаться. Вместе с тем, можно выделить общие элементы, отвечающие за впуск воздуха в топливный бак и выпуск из него паров топлива.

Задача впуска воздуха при возникающем разряжении решается с помощью предохранительного клапана. Клапан устанавливается в крышке заливной горловины. По своей сути это обратный клапан, пропускающий воздух в одном направлении и запирающий его движение - в другом. При возрастании разряжения в топливном баке атмосферное давление отжимает пружину клапана, в результате чего воздух поступает в топливный бак и давление в нем выравнивается с атмосферным давлением.

При заправке топливного бака избыток паров топлива вытесняется по вентиляционному трубопроводу, расположенному параллельно с заправочным трубопроводом. На конце трубопровода может располагаться компенсационная емкость, в которой скапливается избыток паров бензина при заправке. Емкость не соприкасается с атмосферой, а соединена отдельным трубопроводом с адсорбером системы улавливания паров бензина. В конце вентиляционного трубопровода также устанавливается гравитационный клапан, предотвращающий разлив топлива из бака при опрокидывании автомобиля. Клапан срабатывает при наклоне автомобиля свыше 45°.

Пары топлива, возникающие при нагреве, выводятся из топливного бака с помощью системы улавливания паров бензина. Данная система является неотъемлемой частью системы вентиляции топливного бака. Для эффективной работы системы улавливания паров бензина в топливном баке могут устанавливаться датчик температуры топлива и датчик давления топлива в топливном баке.

Топливный насос – основной конструктивный элемент топливной системы бензинового двигателя, обеспечивающий подачу под давлением определенного количества топлива к форсункам (двигатели с впрыском топлива) или карбюратору (карбюраторные двигатели). В зависимости от типа привода различают механические и электрические топливные насосы.

Механический топливный насос

Механический топливный насос (бензонасос) применяется на карбюраторных двигателях. Он имеет механический привод от распределительного вала (вала привода масляного насоса). Насос располагается непосредственно на двигателе.

Механический топливный насос является разновидностью поршневого насоса. Конструктивно он объединяет:

  1.  корпус, состоящий из двух частей и закрытый сверху крышкой;
  2.  диафрагму, установленную между верхней и нижней частью корпуса;
  3.  шток, жестко соединенный с диафрагмой;
  4.  возвратную пружину, насаженную на шток;
  5.  всасывающий и нагнетательный клапаны в верхней части насоса;
  6.  сетчатый фильтр в крышке насоса;
  7.  механический привод.

Устройство механического топливного насоса

Диафрагма является основным рабочим органом насоса. Она состоит из нескольких (2-3) мембран, между которыми расположены прокладки. Диафрагма соединена со штоком, который другим концом взаимодействует с элементами механического привода насоса. Различают разные схемы механического привода насоса. На отечественным автомобилях применяется конструкция, состоящая из толкателя и рычага с балансиром. У зарубежных производителей популярна схема с двуплечим рычагом (коромыслом).

Привод насоса осуществляется от эксцентрика распределительного вала. При вращении эксцентрика привод насоса перемещает шток с диафрагмой вниз, преодолевая усилие пружины. Объем полости над диафрагмой увеличивается, топливо за счет возникающего разряжения поступает в насос через всасывающий клапан из топливного бака. Нагнетательный клапан закрыт.

При дальнейшем движении эксцентрика рычаг привода насоса освобождается, а диафрагма перемещается вверх под действием возвратной пружины. Над диафрагмой создается давление, за счет которого открывается нагнетательный клапан, и топливо через нагнетательный патрубок поступает в карбюратор. Всасывающий клапан закрыт. Цикл работы насоса повторяется при каждом обороте эксцентрика.

Когда поплавковая камера карбюратора заполняется, запорная игла отсекает доступ топлива в карбюратор. Диафрагма при этом остается в нижнем положении, а привод насоса работает вхолостую (ничего не перемещает). Производительность механического топливного насоса регулируется автоматически путем изменения амплитуды движения диафрагмы.

Электрический топливный насос

Электрический топливный насос применяется в топливной системе бензиновых двигателей с распределенным впрыском топлива. В двигателях с непосредственным впрыском топлива, а также дизельных двигателях электрический насос используется в контуре низкого давления для предварительной подачи топлива к насосу высокого давления. Электрический топливный насос создает давление топлива в пределе 0,3-0,4 Мпа (в двигателях с непосредственным впрыском – до 0,7 Мпа). Использование механических насосов в системах впрыска топлива невозможно по причине низкого давления подачи топлива.

Топливный насос с электрическим приводом может располагаться в топливопроводе или в топливном баке. На большинстве современных автомобилей топливный насос встроен в топливный бак. Такая схема обеспечивает лучшее охлаждение насоса, сокращает вероятность потерь за счет отсутствия всасывающей магистрали. С другой стороны, система имеет максимальную длину нагнетательного топливопровода, что повышает его уязвимость.

Устройство электрического топливного насоса

Электрический топливный насос состоит из электрического привода (электродвигатель) и насосной части (собственно насос), помещенных в металлический корпус. Все элементы топливного насоса находятся в контакте с топливом. Бензин имеет высокое электрическое сопротивление (более 1 МОм), предотвращающее короткое замыкание. Конструктивно топливный насос представляет собой модуль, в который помимо насоса включаются датчик расхода топлива, сетчатый топливный фильтр, топливозаборник.

Работу топливного насоса обеспечивают два клапана – обратный и редукционный. Обратный клапан запирает топливную систему при остановке двигателя. Редукционный клапан поддерживает определенное давление в системе, перепуская часть топлива обратно на впуск.

По конструкции различают следующие виды электрических топливных насосов:

  1.  роликовый насос;
  2.  шестеренный насос;
  3.  центробежный насос.

В роликовом насосе топливо всасывается и нагнетается за счет вращения ротора и перемещения в нем роликов. При увеличении пространства между роликом и ротором создается разряжение, и топливо заполняет это пространство. Когда пространство заполнится полностью, подача топлива отсекается. По мере вращения ротора происходит уменьшение пространства, открывается выпускное отверстие и топливо под давлением покидает насос.

Аналогичным образом происходит работашестеренного насоса, где топливо всасывается и нагнетается посредством движения внутренней шестерни (ротора) относительно эксцентрично расположенной внешней шестерни (статора). Боковые стороны зуба ротора при вращении образуют в своих промежутках меняющиеся камеры, с помощью которых всасывается и нагнетается топливо.

В силу особенностей конструкции роликовый и шестеренный насосы устанавливаются в топливопроводе. В современных системах впрыска предпочтение отдается центробежным (лопастным) насосам, которые обеспечивают равномерную (без пульсаций) подачу топлива и производят мало шума. Вместе с тем, центробежные насосы имеют ограничения по создаваемому давлению и производительности.

Центробежный топливный насосустанавливается, как правило, в топливном баке. Рабочее колесо (крыльчатка) центробежного насоса снабжено по периметру многочисленными лопатками. Крыльчатка вращается внутри камеры, в которой находятся два канала определенной формы – всасывающий и нагнетательный. Завихрения топлива, возникающие при воздействии на него лопаток, обеспечивают повышение давления.

Работа топливного насоса начинается по сигналу блока управления двигателем, при котором происходит активация реле насоса. Для обеспечения запуска двигателя электрический топливный насос начинает работу сразу с включением зажигания. На некоторых автомобилях включение насоса происходит при открытии водительской двери, т.е. еще до запуска двигателя в топливной системе создается рабочее давление. Электрический топливный насос поддерживает давление топлива в узких пределах. Давление регулируется путем изменения напряжения или с помощью предохранительного клапана.

Датчик уровня топлива в составе топливной системы служит для определения уровня топлива в топливном баке автомобиля. Датчик устанавливается непосредственно в топливном баке. Датчик уровня топлива используется совместно с указателем уровня топлива, который в свою очередь располагается на приборной панели.

Устройство датчика уровня топлива

На современных автомобилях в качестве датчика уровня топлива используется потенциометрический датчик перемещения. Преимуществами потенциометрического датчика являются простота конструкции, надежность измерений, низкая стоимость. К недостаткам можно отнести наличие подвижных контактов, подверженных со временем износу и окислению.

В топливной системе автомобиля применяются потенциометрические датчики двух типов – рычажные и трубчатые. Чувствительным элементом обоих типов датчиков является поплавок, который всегда находится на поверхности топлива. Поплавок изготавливается из пенопласта, полой пластмассы или тонкого металла.

Устройство датчика уровня топлива рычажного типа

В датчике уровня топлива рычажного типа поплавок соединен металлическим рычагом с подвижным контактом потенциометра. Сам потенциометр представляет собой электрическое устройство, работа которого заключается в создании сопротивления току. Потенциометр выполнен в виде сектора, на который нанесены полосы резистивного материала. В качестве основы потенциометра могут использоваться долговечные толстопленочные резисторы.

Датчик уровня топлива рычажного типа используется в составе блока подачи топлива (кроме датчика блок включает топливный насос с топливозаборником) или отдельно. В силу своей конструкции датчик уровня топлива рычажного типа универсален, т.е. может использоваться на всех топливных баках без ограничений.

Устройство датчика уровня топлива трубчатого типа

Датчик уровня топлива трубчатого типавключает трубку, в которой по направляющей перемещается поплавок. Параллельно направляющей расположены провода сопротивлений. На них замыкаются контактные кольца на поплавке. Основным преимуществом датчика трубчатого типа является устойчивость к колебаниям уровня топлива при изменении положения автомобиля в движении (поворот, подъем, спуск и т.д.). Датчик имеет ограничения в использовании, обусловленные геометрическими параметрами топливного бака.

Использование в двигателях внутреннего сгорания новых видов топлива (этанол, метанол, биодизель) исключает применение контактных датчиков для измерения уровня топлива. Причина - ускоренный износ контактных поверхностей датчика в агрессивной среде. Для подобных условий работы предлагаются бесконтактные датчики уровня топлива, например, неактивный магнитный датчик положения (magnetic passive positioning sensor, MAPPS).

Чувствительный элемент датчика MAPPS герметично закрыт и не вступает в контакт с топливом. Измерения производятся с помощью традиционного поплавка, соединенного рычагом с постоянным магнитом. Магнит перемещается по сектору. На секторе лучами закреплено множество металлических пластин различной длины. Магнитное поле формирует в каждой отдельной пластине электрический сигнал определенной величины. Сигнал снимается с датчика и соответствует определенному уровню топлива.

Работа датчика уровня топлива

Работа датчика уровня топлива построена по принципу - каждому значению уровня топлива в баке соответствует определенный сигнал датчика. На этом можно было бы закончить, но современные топливные баки имеют сложную форму (адаптированы к пространству кузова автомобиля), а зависимость уровня топлива от его остатка в баке носит нелинейный характер.

Помимо этого, конструкция датчика уровня топлива такова, что топливо должно опуститься ниже определенного уровня, прежде чем поплавок начнет опускаться. Указатель уровня топлива некоторое время показывает полный бак, и только потом начинает опускаться. В итоге все датчики уровня топлива выдают некоторую погрешность в измерении искомой величины.

В зависимости от вида выходного сигнала различают датчики с аналоговым и цифровым сигналом. Аналоговый выходной сигнал представляет собой изменение напряжения на потенциометре. Аналоговые датчики имеют высокую погрешность измерений, поэтому в настоящее время почти не используются.

В цифровом датчике микропроцессор преобразует аналоговый сигнал в «цифру», а также производит корректировку и выравнивание погрешности измерений, вызванной колебанием уровня топлива и геометрией топливного бака. Цифровые датчики уровня топлива обеспечивают достаточно высокую точность измерений. Погрешность в цифровом датчике присутствует только на этапе физических измерений уровня топлива.

Впускная система (другое наименование – система впуска) предназначена для впуска в двигатель необходимого количества воздуха и образования топливно-воздушной смеси. Термин «впускная система» появился с развитием конструкции двигателей внутреннего сгорания, особенно с появлением системы непосредственного впрыска топлива. Оборудование для питания двигателя воздухом перестало быть просто воздуховодом, а превратилось в отдельную систему.

В своей работе система впуска взаимодействует со многими системами двигателя, в том числе:

  1.  системой впрыска;
  2.  системой рециркуляции отработавших газов;
  3.  системой улавливания паров бензина;
  4.  вакуумным усилителем тормозов.

Взаимодействие перечисленных систем и еще ряда других систем обеспечивает система управления двигателем.

Для улучшения наполнения цилиндров воздухом, повышения мощности в конструкции системы впуска современных бензиновых и дизелных двигателей используется турбонаддув.

Впускная система имеет следующее общее устройство:

  1.  воздухозаборник;
  2.  воздушный фильтр;
  3.  дроссельная заслонка;
  4.  впускной коллектор;
  5.  впускные заслонки (на отдельных конструкциях двигателей);
  6.  соединительные патрубки;
  7.  конструктивные элементы системы управления двигателем.

Схема впускной системы

Воздухозаборник обеспечивает забор воздуха из атмосферы и представляет собой патрубок определенной формы.

Воздушный фильтр служит для очистки воздуха от механических частиц. Фильтрующий элемент изготавливается из специальной бумаги и размещается в отдельном корпусе. Фильтрующий элемент воздушного фильтра является расходным материалом, т.е. имеет ограниченный срок службы. В зависимости от условий эксплуатации автомобиля срок службы фильтрующего элемента может изменяться.

Дроссельная заслонка регулирует величину поступающего воздуха в соответствии с величиной впрыскиваемого топлива. На современных двигателях дроссельная заслонка приводится в действие с помощью электродвигателя и не имеет механической связи с педалью газа.

Впускной коллектор распределяет поток воздуха по цилиндрам двигателя и придает ему необходимое движение. Разряжение, возникаемое во впускном коллекторе используется в работе вакуумного усилителя тормозов, а также для привода впускных заслонок.

На двигателях с непосредственным впрыском топлива в дополнение к дроссельной заслонке устанавливаются впускные заслонки. Они обеспечивают процесс смесеобразования за счет разделения воздуха на два впускных канала. Один канал перекрывает заслонка, через другой – воздух проходит безпрепятственно. Впускные заслонки установлены на общем валу, который поворачивается с помощью вакуумного или электрического привода.

Работу впускной системы обеспечивает система управления двигателем. Конструктивные элементы системы управления двигателем, которые используются в работе системы впуска, можно разделить на три группы:

  1.  входные датчики;
  2.  блок управления;
  3.  исполнительные устройства.

К примеру, впускная система двигателя с непосредственным впрыском топлива имеет следующие датчики:

  1.  расходомер воздуха;
  2.  датчик температуры воздуха на впуске;
  3.  датчик положения дроссельной заслонки;
  4.  датчик давления во впускном коллекторе;
  5.  датчик положения впускной заслонки;
  6.  датчик положения клапана рециркуляции;
  7.  датчик давления в магистрали вакуумного усилителя тормозов.

Расходомер воздуха и датчик температуры воздуха на впускеслужат для определения нагрузки на двигатель. На некоторых моделях двигателей расходомер воздуха не устанавливается. Его функции выполняет датчик давления во впускном коллекторе. При совместной установке расходомер воздуха и датчик давления во впускном коллекторе дублируют друг друга. Датчик давления во впускном коллекторе также используется в работе системы рециркуляции отработавших газов для расчета количества перепускаемых газов. Величина нагрузки двигателя определяется с помощью датчика температуры воздуха на впуске и дополнительногодатчика атмосферного давления. Остальные датчики обеспечивают работу соответствующих систем.

Работой впускной системы управляют следующие исполнительные устройства:

  1.  блок управления дроссельной заслонкой;
  2.  электродвигатель привода впускных заслонок или клапан управления вакуумным приводом заслонок (на двигателе с непосредственным впрыском топлива);
  3.  запорный клапан системы улавливания паров бензина;
  4.  электромагнитный клапан системы рециркуляции отработавших газов.

Исполнительные устройства активирует блок управления двигателем.

Принцип работы впускной системы

Работа впускной системы основана на разности давлений в цилиндре двигателя и атмосфере, возникающей на такте впуска. Объем поступающего воздуха при этом пропорционален объему цилиндра. Величина поступающего воздуха регулируется положением дроссельной заслонки в зависмости от режима работы двигателя.

На двигателях с непосредственным впрыском топлива в дополнение к дроссельной заслонке работают впускные заслонки. Совместная работа дроссельной и впускных заслонок обеспечивает несколько видов смесеобразования:

  1.  послойное смесеобразование;
  2.  бедное гомогенное смесеобразование;
  3.  стехиометрическое гомогенное смесеобразование.

Послойное смесеобразование используется при работе двигателя на малых и средних оборотах и нагрузках. При послойном смесеобразовании дроссельная заслонка большую часть времени открыта полностью. Заслонка прикрывается только для обеспечения разряжения, необходимого в работе системы улавливания паров бензина (продувка адсорбера), системы рециркуляции отработавших газов (перепуск отработавших газов во впускной коллектор) и вакуумного усилителя тормозов (создание необходимого разрежения). Впускные заслонки закрыты.

Стехиометрическое (легковоспламеняемое) гомогенное(однородное) смесеобразование применяется при высоких оборотах двигателя и больших нагрузках. Дроссельная заслонка открывается в соответствии с требуемым крутящим моментом. Впускные заслонки открыты.

На бедной гомогенной смеси двигатель работает в промежуточных режимах. Дроссельная заслонка открывается также в соответствии с требуемым крутящим моментом. Впускные заслонки закрыты.

Система изменения фаз газораспределения (общепринятое международное название Variable Valve TimingVVT) предназначена для регулирования параметров работыгазораспределительного механизма в зависимости от режимов работы двигателя. Применение данной системы обеспечивает повышение мощности и крутящего момента двигателя, топливную экономичность и снижение вредных выбросов.

К регулируемым параметрам работы газораспределительного механизма относятся:

  1.  момент открытия (закрытия) клапанов;
  2.  продолжительность открытия клапанов;
  3.  высота подъема клапанов.

В совокупности эти параметры составляют фазы газораспределения – продолжительность тактов впуска и выпуска, выраженную углом поворота коленчатого валаотносительно «мертвых» точек. Фаза газораспределения определяется формой кулачка распределительного вала, воздействующего на клапан.

На разных режимах работы двигателя требуется разная величина фаз газораспределения. Так, при низких оборотах двигателя фазы газораспределения должны иметь минимальную продолжительность («узкие» фазы). На высоких оборотах, наоборот, фазы газораспределения должны быть максимально широкими и при этом обеспечивать перекрытие тактов впуска и выпуска (естественную рециркуляцию отработавших газов).

Кулачок распределительного вала имеет определенную форму и не может одновременно обеспечить узкие и широкие фазы газораспределения. На практике форма кулачка представляет собой компромисс между высоким крутящим моментом на низких оборотах и высокой мощностью на высоких оборотах коленчатого вала. Это противоречие, как раз и разрешает система изменения фаз газораспределения.

В зависимости от регулируемых параметров работы газораспределительного механизма различают следующие способы изменяемых фаз газораспределения:

  1.  поворот распределительного вала;
  2.  применение кулачков с разным профилем;
  3.  изменение высоты подъема клапанов.

Наиболее распространенными являются системы изменения фаз газораспределения, использующие поворот распределительного вала:

  1.  VANOS (Double VANOS) отBMW;
  2.  VVT-i (Dual VVT-i), Variable Valve Timing with intelligence отToyota;
  3.  VVT, Variable Valve Timing отVolkswagen;
  4.  VTC, Variable Timing Control отHonda;
  5.  CVVT, Continuous Variable Valve Timing отHyundai, Kia, Volvo, General Motors;
  6.  VCP, Variable Cam Phases отRenault.

Принцип работы данных систем основан на повороте распределительного вала по ходу вращения, чем достигается раннее открытие клапанов по сравнению с исходным положением.

Система изменения фаз газораспределения данного типа имеет следующее общее устройство:

  1.  гидроуправляемая муфта;
  2.  система управления.

Схема системы автоматического изменения фаз газораспределения

Гидроуправляемая муфта(обиходное название фазовращатель) непосредственно осуществляет поворот распределительного вала. Муфта состоит из ротора, соединенного с распределительным валом, и корпуса, в роли которого выступает шкив привода распределительного вала. Между ротором и корпусом имеются полости, к которым по каналам подводится моторное масло. Заполнение той или иной полости маслом обеспечивает поворот ротора относительно корпуса и соответственно поворот распределительного вала на определенный угол.

В большинстве своем гидроуправляемая муфта устанавливается на распределительный вал впускных клапанов. Для расширения параметров регулирования в отдельных конструкциях муфты устанавливаются на впускной и выпускной распределительные валы.

Система управления обеспечивает автоматическое регулирование работы гидроуправляемой муфты. Конструктивно она включает входные датчики, электронный блок управления и исполнительные устройства. В работе системы управления используются датчики Холла, оценивающие положения распределительных валов, а также другие датчики системы управления двигателем: частоты вращения коленчатого вала, температуры охлаждающей жидкости, расходомер воздуха. Блок управления двигателем принимает сигналы от датчиков и формирует управляющие воздействия на исполнительное устройство – электрогидравлический распределитель. Распределитель представляет собой электромагнитный клапан и обеспечивает подвод масла к гидроуправляемой муфте и отвод от нее в зависимости от режимов работы двигателя.

Система изменения фаз газораспределения предусматривает работу, как правило, в следующих режимах:

  1.  холостой ход (минимальные обороты коленчатого вала);
  2.  максимальная мощность;
  3.  максимальный крутящий момент.

Другая разновидность системы изменения фаз газораспределения построена на применении кулачков различной формы, чем достигается ступенчатое изменение продолжительности открытия и высоты подъема клапанов. Известными такими системами являются:

  1.  VTEC, Variable Valve Timing and Lift Electronic Control отHonda;
  2.  VVTL-i, Variable Valve Timing and Lift with intelligence отToyota;
  3.  MIVEC, Mitsubishi Innovative Valve timing Electronic Control отMitsubishi;
  4.  Valvelift System от Audi.

Данные системы имеют, в основном, схожую конструкцию и принцип действия, за исключением Valvelift System. К примеру, одна из самых известных система VTEC включает:

  1.  набор кулачков различного профиля;
  2.  систему управления.

Схема системы VTEC

Распределительный вал имеет два малых и один большой кулачок. Малые кулачки через соответствующие коромысла (рокеры) соединены с парой впускных клапанов. Большой кулачок перемещает свободное коромысло.

Система управления обеспечивает переключение с одного режима работы на другой путем срабатывания блокирующего механизма. Блокирующий механизм имеет гидравлический привод. При низких оборотах двигателя (малой нагрузке) работа впускных клапанов производится от малых кулачков, при этом фазы газораспределения характеризуются малой продолжительностью. При достижении оборотов двигателя определенного значение система управления приводит в действие блокирующий механизм. Коромысла малых и большого кулачков соединяются с помощью стопорного штифта в одно целое, при этом усилие на впускные клапаны передается от большого кулачка.

Другая модификация системы VTEC имеет три режима регулирования, определяемые работой одного малого кулачка (открытие одного впускного клапана, малые обороты двигателя), двух малых кулачков (открытие двух впускных клапанов, средние обороты), а также большого кулачка (высокие обороты).

Современной системой изменения фаз газораспределения от Honda является система I-VTEC, объединяющая системы VTEC и VTC. Данная комбинация существенным образом расширяет параметры регулирования двигателя.

Наиболее совершенная с конструктивной точки зрения разновидность системы изменения фаз газораспределения основана на регулировании высоты подъема клапанов. Данная система позволяет отказаться от дроссельной заслонки на большинстве режимов работы двигателя. Пионером в этой области является компания BMW и ее система Valvetronic. Аналогичный принцип использован и в других системах:

  1.  Valvematic от Toyota;
  2.  VEL, Variable Valve Event and Lift System отNissan;
  3.  MultiAir от Fiat;
  4.  VTI, Variable Valve and Timing Injection отPeugeot.

Схема системы Valvetronic

В системе Valvetronic изменение высоты подъема клапанов обеспечивает сложная кинематическая схема, в которой традиционная связь кулачок-коромысло-клапан дополнена эксцентриковым валом и промежуточным рычагом. Эксцентриковый вал получает вращение от электродвигателя через червячную передачу. Вращение эксцентрикового вала изменяет положение промежуточного рычага, который, в свою очередь, задает определенное движение коромысла и соответствующее ему перемещение клапана. Изменение высоты подъема клапана осуществляется непрерывно в зависимости от режимов работы двигателя.

Система Valvetronic устанавливается только на впускные клапаны.

Система изменения геометрии впускного коллектора является одной из востребованных технологий повышения мощности двигателя, экономии топлива, снижения токсичности отработавших газов.

Изменение геометрии впускного коллектора может быть реализованодвумя способами:

  1.  изменением длины впускного коллектора;
  2.  изменение поперечного сечения впускного коллектора.

В ряде случаев изменение геометрии впускного коллектора на одном двигателя осуществляется одновременно двумя способами.

Впускной коллектор переменной длины

Впускной коллектор переменной длины применяется в атмосферных бензиновых и дизельных двигателях для обеспечения лучшего наполнения камеры сгорания воздухом на всем диапазоне оборотов двигателя.

На низких оборотах двигателя требуется достижение максимального крутящего момента как можно быстрее, для чего используетсядлинный впускной коллектор. Высокие обороты выводят двигатель на максимальную мощность прикоротком впускном коллекторе.

Впускной коллектор переменной длины используют в конструкции двигателей многие производители, некоторые дали системе собственные названия:

  1.  Dual-Stage IntakeDSIот Ford;
  2.  Differential Variable Air IntakeDIVAот BMW;
  3.  Variable Inertia Charging SystemVICSVariable Resonance Induction SystemVRISот Mazda.

Регулирование длины впускного коллектора (переключение с одной длины на другую) производится с помощью клапана, входящего в состав системы управления двигателем.

Работа впускного коллектора переменной длиныосуществляется следующим образом. При закрытии впускных клапанов во впускном коллекторе остается часть воздуха, которая совершает колебания с частотой пропорциональной длине коллектора и оборотам двигателя. В определенный момент колебания воздуха входят в резонанс, чем достигается эффект нагнетания – т.н. резонансный наддув. При открытии впускных клапанов воздушная смесь в камеры сгорания нагнетается с большим давлением.

В надувных двигателях впускной коллектор переменной длины не используется, т.к. необходимый объем воздуха в камере сгорания обеспечивается механическим и (или) турбокомпрессором. Впускной коллектор в таких двигателях очень короткий, что сокращает размеры двигателя и его стоимость.

Впускной коллектор переменного сечения

Впускной коллектор переменного сечения применяется как на бензиновых, так и на дизельных двигателях, в т.ч. оборудованных наддувом. При уменьшении поперечного сечения каналов впускного коллектора достигается увеличение скорости воздушного потока, лучшее смесеобразование и соответственно обеспечивается полное сгорание топливно-воздушной смеси, снижение токсичности отработавших газов.

Известными системами впуска переменного сечения являются:

  1.  Intake Manifold Runner ControlIMRCCharge Motion Control Valve,CMCVот Ford;
  2.  Twin Port от Opel;
  3.  Variable Intake SystemVISот Toyota;
  4.  Variable Induction SystemVISот Volvo.

Схема системы изменения геометрии впускного коллектора

В системе впускной канал к каждому цилиндру разделен на два канала (отдельный канал на каждый впускной клапан), один из которых перекрыт заслонкой. Привод заслонки осуществляет вакуумный регулятор или электродвигатель, являющийся исполнительным устройством системы управления двигателем.

При частичной нагрузке заслонки закрыты, топливно-воздушная смесь (двигатели с распределенным впрыском) или воздух (двигатели с непосредственным впрыском) поступает в камеру сгорания каждого из цилиндров по одному каналу. При этом создаются завихрения, которые обеспечивают лучшее смесеобразование. При уменьшении сечения впускного коллектора раньше вступает в работу система рециркуляции отработавших газов, тем самым повышается топливная экономичность двигателя.

При полной нагрузке заслонки впускного коллектора открываются, увеличивается подача воздуха (топливно-воздушной смеси) в камеры сгорания и соответственно повышается мощность двигателя

Турбонаддув - вид наддува, при котором воздух в цилиндры двигателя подается под давлением за счет использования энергии отработавших газов.

В настоящее время турбонаддув является наиболее эффективной системой повышения мощности двигателя без увеличения частоты вращения коленчатого вала и объема цилиндров. Помимо повышения мощности турбонаддув обеспечиваетэкономию топлива в расчете на единицу мощности и снижение токсичности отработавших газовза счет более полного сгорания топлива.

Система турбонаддува применяется как на бензиновых, так и на дизельных двигателях. Вместе с тем, наиболее эффективен турбонаддув на дизелях вследствие высокой степени сжатия двигателя и относительно невысокой частоты вращения коленчатого вала. Сдерживающими факторами применения турбонаддува на бензиновых двигателях являются возможность наступления детонации, которая связана с резким увеличением частоты вращения двигателя, а также высокая температура отработавших газов (1000°С против 600°С у дизелей) и соответствующий нагрев турбонагнетателя.

Несмотря на различия в конструкции отдельных систем, можно выделить следующее общее устройство турбонаддува:

  1.  воздухозаборник;
  2.  воздушный фильтр;
  3.  дроссельная заслонка;
  4.  турбокомпрессор;
  5.  интеркулер;
  6.  впускной коллектор;
  7.  впускные заслонки (на некоторых конструкциях двигателей);
  8.  соединительные патрубки и напорные шланги;
  9.  элементы управления.

Большинство элементов турбонаддува являются типовыми элементами впускной системы. Отличительной особенностью турбонаддува является наличие турбокомпрессора, интеркулера и новых конструктивных элементов управления.

Турбокомпрессор (другое наименование – турбонагнетатель, газотурбинный нагнетатель) является основным конструктивным элементом турбонаддува и обеспечивает повышение давления воздуха во впускной системе. Конструкция турбокомпрессора включает:

  1.  турбинное колесо;
  2.  корпус турбины;
  3.  компрессорное колесо;
  4.  корпус компрессора;
  5.  вал ротора;
  6.  корпус подшипников.

Устройство турбокомпрессора (турбонагнетателя)

Турбинное колесо воспринимает энергию отработавших газов. Колесо вращается в корпусе специальной формы. Турбинное колесо и корпус турбины изготавливаются из жаропрочных материалов (сплавы, керамика).

Компрессорное колесо всасывает воздух, сжимает и нагнетает его в цилиндры двигателя. Компрессорное колесо также вращается в специальном корпусе.

Турбинное и компрессорное колеса жестко закреплены на валу ротора. Вал вращается в подшипниках скольжения. Подшипники плавающего типа, т.е. имеют зазор со стороны корпуса и вала. Подшипники смазываются моторным маслом системы смазки двигателя. Масло подается по каналам в корпусе подшипников. Для герметизации масла на валу установлены уплотнительные кольца.

В некоторых конструкциях бензиновых двигателей для улучшения охлаждения дополнительно к смазке применяется жидкостное охлаждение турбонагнетателей. Курпус подшипников турбонагнеталея включен в двухконтурную систему охлаждениядвигателя.

Интеркулер предназначен для охлаждения сжатого воздуха. За счет охлаждения сжатого воздуха повышается его плотность и увеличивается давление. Интеркулер представляет собой радиатор воздушного или жидкостного типа .

Основным элементом управления системы турбонаддува являетсярегулятор давления наддува, который представляет собой перепускной клапан (вейстгейт, wastegate). Клапан ограничивает энергию отработавших газов, направляя их часть в обход турбинного колеса, тем самым обеспечивает оптимальное давление наддува. Клапан имеет пневматический или электрический привод. Срабатывание перепускного клапана производится на основании сигналов датчика давления наддува системой управления двигателем.

В воздушном тракте высокого давления (после компрессора) может устанавливаться предохранительный клапан. Он защищает системы от скачка давления воздуха, который может произойти при резком закрытии дроссельной заслонки. Избыточное давление может стравливаться в атмосферу с помощью блуофф-клапана (blowoff) или перепускаться на вход компрессора с помощью байпас-клапана (bypass).

Принцип работы турбонаддува

Работа системы турбонаддува основана на использовыании энергии отработавших газов. Отработавшие газы вращают турбинное колесо, которое через вал ротора вращает компрессорное колесо. Компрессорное колесо сжимает воздух и нагнетает его в систему. Нагретый при сжатии воздух охлаждается в интеркулере и поступает в цилиндры двигателя.

Несмотря на то, что турбонаддув не имеет жесткой связи с коленчатым валом двигателя, эффективность работы системы во многом зависит от числа оборотов двигателя. Чем выше частота вращения коленчатого вала двигателя, тем выше энергия отработавших газов, быстрее вращается турбина, больше сжатого воздуха поступает в цилиндры двигателя.

В силу конструкции, турбонаддув имеет ряд негативных особенностей:

  1.  задержка увеличения мощности двигателя при резком нажатии на педаль газа, т.н. «турбояма» (turbolag);
  2.  резкое увеличение давления наддува после преодоления «турбоямы», т.н. «турбоподхват».

«Турбояма» обусловлена инерционностью системы (для повышения давления наддува при резком нажатии на педаль газа требуется определенное время), которая приводит к несоответствию между потребной мощностью и производительностью компрессора. Существует несколько способов решения данной проблемы:

  1.  применение турбины с изменяемой геометрией;
  2.  использование двух последовательных или параллельных турбокомпрессоров (twin-turdo или bi-turdo);
  3.  комбинированный наддув.

Турбина с изменяемой геометрией (VNT – турбина) обеспечивает оптимизацию потока отработавших газов за счет изменения площади входного канала. Турбины с изменяемой геометрией нашли широкое применение в турбонаддуве дизельных двигателей, к примерутурбонаддув двигателя TDI от Volkswagen.

Система с двумя параллельными турбокомпрессорамиприменяется в основном на мощных V-образных двигателях (по одному на каждый ряд цилиндров). Принцип работы системы основан на том, что две маленькие турбины обладают меньшей инерцией, чем одна большая.

При установке на двигатель двух последовательных турбинмаксимальная производительность системы достигается за счет использования разных турбокомпрессоров на разных оборотах двигателя. Некоторые производители идут еще дальше и устанавливают три последовательных турбокомпрессора - triple-turbo (BMW) и даже четыре турбокомпрессора - quad-turbo (Bugatti).

Комбинированный наддув (twincharger) объединяет механический и турбонаддув. На низких оборотах коленчатого вала двигателя сжатие воздуха обеспечивает механический нагнетатель. С ростом оборотов подхватывает турбокомпрессор, а механический нагнетатель отключается. Примером такой системы являетсядвойной наддув двигателя TSI от Volkswagen.

Система турбонаддува, в которой используется два турбокомпрессора, носит название Twin Turbo. Изначально два турбокомпрессора применялись для преодоления инерционности системы, т.н. турбозадержки (турбоямы). В дальнейшем область применения спаренных турбокомпрессоров расширилась и в настоящее время позволяет значительно повышать выходную мощность, поддерживать номинальный крутящий момент в широком диапазоне оборотов двигателя, снижать удельный расход топлива.

Различают три конструктивные схемы системы Twin Turbo: параллельную, последовательную и ступенчатую. Схемы различаются характеристиками, расположением и порядком работы турбокомпрессоров. Работу турбокомпрессоров регулирует электронная система управления, включающая входные датчики, блок управления и приводы клапанов управления потоком воздуха и отработавших газов.

Twin Turbo – торговое название системы турбонаддува, другое используемое название (синоним) Biturbo. В некоторых истониках информации под названием Biturbo понимается система с параллельной схемой работы турбокомпрессоров, что не совсем верно.

Параллельный Twin Turbo

Система параллельного Twin Turbo включает два одинаковых турбокомпрессора, работающих одновременно и параллельно друг другу. Параллельная работа реализуется путем равномерного разделения потока отработавших газов между турбокомпрессорами. Сжатый воздух от каждого компрессора поступает в общий впускной коллектор и далее распределяется по цилиндрам.

Параллельный Twin Turbo применяется в основном на V-образных дизельных двигателях. Каждый турбокомпрессор закреплен на своем выпускном коллекторе. Эффективность параллельной схемы турбонаддува базируется на том, что две небольшие турбины имеют меньшую инерционность, чем одна большая. За счет этого сокращается «турбояма», турбокомпрессоры работают на всех оборотах двигателя, обеспечивая быстрое повышение давления наддува.

Последовательный Twin Turbo

Система последовательного Twin Turbo включает два соизмеримых по характеристикам турбокомпрессора. Первый турбокомпрессор работает постоянно, второй включается в работу при определенных режимах работы двигателя (частота оборотов, нагрузка).

Схема системы Twin Turbo

Переход между режимами обеспечивает электронная система управления, которая регулирует поток отработавших газов ко второму турокомпрессору с помощью специального клапана. При полном открытии клапана управления подачей отработавших газов оба турбокомпрессора работают параллельно, поэтому правильно систему называть последовательно-параллельная. Сжатый воздух от двух турбокомпрессоров подается в общий впускной коллектор и распределяется по цилиндрам.

Система последовательного Twin Turbo минимизирует последствия турбозадержки и позволяет достичь максимальной выходной мощности. Применяется на бензиновых и дизельных двигателях. В 2011 году компания BMW представила систему с тремя последовательными турбокомпрессорами – Triple Turbo.

Двухступенчатый турбонаддув

Самой совершенной в техническом плане является система двухступенчатого турбонаддува. С 2004 года система двухступенчатого турбонаддува применяется на ряде дизельных двигателей от Opel. Другой производитель - компания BorgWarner Turbo Systems внедряет систему на дизельные двигатели BMW и Cummins.

Схема двухступенчатого турбонаддува

Система двухступенчатого турбонаддува состоит из двух турбокомпрессоров разного размера, установленных последовательно в выпускном и впускном (воздушном) трактах. В системе используется клапанное регулирование потока отработавших газов и нагнетаемого воздуха.

При низких оборотах двигателя перепускной клапан отработавших газов закрыт. Отработавшие газы проходят через малый турбокомпрессор (имеет минимальную инерцию и максимальную отдачу) и далее через большой турбокомпрессор. Давление отработавших газов невелико. Поэтому большая турбина почти не вращается. На впуске перепускной клапан наддува закрыт. Воздух проходит последовательно через большой (первая ступень) и малый (вторая ступень) компрессоры.

С ростом оборотов осуществляется совместная работа турбокомпрессоров. Перепускной клапан отработавших газов постепенно открывается. Часть отработавших газов идет непосредственно через большую турбину, которая раскручивается все более интенсивно. На впуске большой компрессор сжимает воздух с определенным давлением, но оно недостаточно большое. Поэтому далее сжатый воздух поступает в малый компрессор, где происходит дальнейшее повышение давления. Перепускной клапан наддува при этом по прежнему закрыт.

При полной нагрузке перепускной клапан отработавших газов открыт полностью. Газы практически полностью проходят через большую турбину, раскручивая ее до максимальной частоты. Малая турбина останавливается. На впуске большой компрессор обеспечивает максимальное давление наддува. Малый компрессор, наоборот, создает препятствие для воздуха, поэтому в определенный момент открывается перепускной клапан наддува и сжатый воздух поступает напрямую к двигателю.

Таким образом, система двухступенчатого турбонаддува обеспечивает эффективную работу турбокомпрессоров на всех режимах работы двигателя. Система разрешает известное противоречие дизельных двигателей между высоким крутящим моментом на низких оборотах и максимальной мощностью на высоких оборотах. С помощью двухступенчатых турбокомпрессоров номинальный крутящий момент достигается быстро и поддерживается в широком диапазоне оборотов двигателя, обеспечивается максимальное повышение мощности.

Двигатель TSI (Turbo Stratified Injection, дословно - турбонаддув и послойный впрыск) объединяет последние достижения конструкторской мысли – непосредственный впрыск топлива итурбонаддув.

Концерн Volkswagen разработал и предлагает на своих автомобилях линейку двигателей TSI, различающихся по конструкции, объему двигателя, мощностным показателям. В конструкции двигателей TSI производителем реализовано два подхода:

  1.  двойной наддув;
  2.  турбонаддув.

Аббревиатура TSI является запатентованным товарным знаком концерна Volkswagen.

Двойной наддув двигателя TSI

Двойной наддув осуществляется в зависимости от потребности двигателя двумя устройствами: механическим нагнетателем и турбокомпрессором. Комбинированное применение данных устройств позволяет реализовать номинальный крутящий момент в широком диапазоне оборотов двигателя.

Схема двойного наддува двигателя TSI

В конструкции двигателя используется механический нагнетательтипа Roots. Он представляет собой два ротора определенной формы, помещенных в корпус. Роторы вращаются в противоположные стороны, чем достигается всасывание воздуха с одной стороны, сжатие и нагнетание – с другой. Механический нагнетатель имеет ременной привод от коленчатого вала. Привод активизируется с помощью магнитной муфты. Для регулировки давления наддува параллельно компрессору установлена регулировочная заслонка.

На двигателе TSI с двойным наддувом установлен стандартныйтурбокомпрессор. Охлаждение наддувочного воздуха осуществляется интеркулером воздушного типа.

Эффективную работу двойного наддува обеспечивает система управления двигателем. Для этого в конструкцию системы включены дополнительные элементы, в том числе:

входные датчики

  1.  датчик давления во впускном трубопроводе;
  2.  датчик давления наддува;
  3.  датчик давления во впускном коллекторе;
  4.  потенциометр регулирующей заслонки.

исполнительные механизмы

  1.  магнитная муфта;
  2.  серводвигатель регулирующей заслонки;
  3.  клапан ограничения давления наддува;
  4.  клапан рециркуляции турбокомпрессора.

Датчики отслеживают давление наддува в различных местах системы: после механического нагнетателя, после турбокомпрессора и после интеркулера. Каждый из датчиков давления объединен с датчиками температуры воздуха.

Магнитная муфта включается по сигналам блока управления двигателем, при которых на магнитную катушку подается напряжение. Магнитное поле притягивает фрикционный диск и замыкает его со шкивом. Механический компрессор начинает вращаться. Работа компрессора производится до тех пор, пока на магнитную катушку подается напряжение.

Серводвигатель поворачивает регулирующую заслонку. При закрытой заслонке весь всасывающий воздух проходит через компрессор. Регулирование давления наддува механического компрессора производится путем открытия заслонки. При этом часть сжатого воздуха подается снова в компрессор, а давление наддува снижается. При неработающем компрессоре заслонка полностью открыта.

Клапан ограничения давления наддува срабатывает, когда энергия отработавших газов создает избыточное давление наддува. Клапан обеспечивает работу вакуумного привода, который в свою очередь открывает перепускной клапан. Часть отработавших газов идет мимо турбины.

Клапан рециркуляции турбокомпрессора обеспечивает работу системы на принудительном холостом ходу (при закрытой дроссельной заслонке). Он предотвращает создание избыточного давления в промежутке между турбокомпрессором и закрытой дроссельной заслонкой.

Принцип работы двойного наддува двигателя TSI

В зависимости от частоты вращения коленчатого вала двигателя (нагрузки) различают следующие режимы работы системы двойного наддува:

  1.  безнаддувный режим (до 1000 об/мин);
  2.  работа механического нагнетателя (1000-2400 об/мин);
  3.  совместная работа нагнетателя и турбокомпрессора (2400-3500 об/мин);
  4.  работа турбокомпрессора (свыше 3500 об/мин).

На холостых оборотах двигатель работает в безнаддувном режиме. Механический нагнетатель выключен, регулирующая заслонка открыта. Энергия отработавших газов невелика, турбокомпрессор не создает давления наддува.

С ростом числа оборотов, включается механический нагнетатель и закрывается регулирующая заслонка. Давление наддува, в основном, создает механический нагнетатель (0,17 МПа). Турбокомпрессор обеспечивает небольшое дополнительное сжатие воздуха.

При частоте вращения коленчатого вала двигателя в пределе 2400-3500 об/мин давление наддува создает турбокомпрессор. Механический нагнетатель подключается при необходимости, например, при резком ускорении (резком открытии дроссельной заслонки). Давление наддува может достигать 0,25 МПа.

Далее работа системы осуществляется только за счет турбокомпрессора. Механический нагнетатель выключен. Регулирующая заслонка открыта. Для предотвращения детонации с ростом числа оборотов давление наддува несколько падает. При частоте вращения 5500 об/мин оно составляет порядка 0,18 МПа.

Турбонаддув двигателя TSI

В данных двигателях наддув осуществляется исключительно турбокомпрессором. Конструкция турбокомпрессора обеспечивает достижение номинального крутящего момента уже при низких оборотах двигателя и поддержание его в широком пределе (от 1500 до 4000 об/мин). Выдающиеся характеристики турбокомпрессора получены за счет максимального снижения инерции вращающихся частей: уменьшен наружный диаметр рабочего колеса турбины и компрессора.

Схема турбонаддува двигателя TSI

Регулирование наддува в системе традиционно осуществляется с помощью перепускного клапана. Клапан может иметь пневматический или электрический привод. Работу пневматического привода обеспечивает электромагнитный клапан ограничения давления наддува. Электрический привод представлен электрическим направляющим устройством, состоящим из электродвигателя, зубчатой передачи, рычажного механизма и датчика положения устройства.

В двигателе с турбонаддувом, в отличие от двойного наддува, используется жидкостная система охлаждения наддувочного воздуха. Она имеет независимый от системы охлаждения двигателя контур и образует с ней двухконтурную систему охлаждения. Система охлаждения наддувочного воздуха включает: охладитель наддувочного воздуха, насос, радиатор и систему трубопроводов. Охладитель наддувочного воздуха размещен в впускном коллекторе. Охладитель состоит из алюминиевых пластин, через которые проходят трубы системы охлаждения.

Охлаждение наддувочного воздуха производится по сигналу блока управления двигателем включением насоса. Поток нагретого воздуха проходит через пластины, отдает им тепло, а те, в свою очередь, отдают его жидкости. Охлаждающая жидкость движется по контуру с помощью насоса, охлаждается в радиаторе и далее по кругу.

Двигатель TDI (Turbocharged Direct Injection, дословно - турбонагнетатель и непосредственный впрыск) является современным дизельным двигателем с турбонаддувом. Двигатель разработан концерном Volkswagen, а название TDI является зарегистрированным товарным знаком.

Турбоанддув двигателя TDI обеспечивает высокую динамику автомобиля, экономичность и экологическую безопасность. Для создания оптимального давления наддува в широком диапазоне скоростных режимов в конструкции двигателя используетсятурбокомпрессор с изменяемой геометрией турбины. Турбокомпрессор имеет два общепринятых названия, которые используются разными производителями:

  1.  VGTVariable Geometry Turbocharger (дословно – турбокомпрессор с изменяемой геометрией) применяет BorgWarner;
  2.  VNTVariable Nozzle Turbine (дословно – турбина с переменным соплом) применяет Garrett.

Схема турбонаддува двигателя TDI

В отличие от обычноготурбокомпрессора турбонагнетатель с изменяемой геометрией может регулировать направление и величину потока отработавших газов, чем достигается оптимальная частота вращения турбины и соответственно производительность компрессора.

VNT-турбина объединяет направляющие лопатки, механизм управления и вакуумный привод.

Схема турбины с изменяемой геометрией (VNT-турбины)

Направляющие лопаткипредназначены для изменения скорости и направления потока отработавших газов за счет изменения величины сечения канала. Они поворачиваются на определенный угол вокруг свой оси.

Поворот лопаток производится с помощью механизма управления. Механизм состоит из кольца и рычага. Срабатывание механизма управления обеспечиваетвакуумный привод, воздействующий через тягу на рычаг управления. Работа вакуумного привода регулируется клапаном ограничения давления наддува, подключенным к системе управления двигателем. Клапан ограничения давления наддува срабатывает в зависимости от величины давления наддува, измеряемой двумя датчиками: датчиком давления наддува и датчиком температуры воздуха на впуске.

Принцип работы наддува двигателя TDI

При работе системы наддува двигателя TDI обеспечивается оптимальное давление воздуха в широком диапазоне частоты вращения двигателя. Это достигается за счет регулирования энергии потока отработавших газов.

При низких оборотах двигателя энергия отработавших газов невелика. Для эффективного ее использования направляющие лопатки находятся в закрытом положении, при котором площадь канала отработавших газов наименьшая. За счет малой площади сечения поток отработавших газов усиливается и заставляет турбину вращаться быстрее. Соответственно быстрее вращается компрессорное колесо, а производительность турбокомпрессора увеличивается.

При резком увеличении оборотов двигателя, вследствие инерционности системы, энергии отработавших газов становиться недостаточно. Поэтому для прохождения «турбоямы» лопатки поворачиваются с некоторой задержкой, чем достигается оптимальное давление наддува.

На высоких оборотах двигателя энергия отработавших газов максимальная. Для предотвращения избыточного давления наддува лопатки поворачиваются на максимальный угол, обеспечивая наибольшую площадь поперечного сечения канала.

В двигателях, оборудованных турбонаддувом, всасываемый воздух сжимается с увеличением плотности. Вместе с тем, термодинамический эффект от сжатия воздуха приводит к увеличению температуры до 200°С. Этому способствует и сам турбокомпрессор, нагреваемый отработавшими газами. При нагреве плотность воздуха снижается и соответственно снижается давление наддува. В бензиновых двигателях, кроме этого, горячий воздух увеличивает вероятность наступления детонации, а в отработавших газах в большом количестве образуются оксиды азота.

Для охлаждения, поступающего от турбокомпрессора воздуха, применяется интеркулер (intercooler, дословно – промежуточный охладитель, другое название – охладитель наддувочного воздуха). Интеркулер обеспечивает охлаждение воздуха до 50-60°С, чем достигается лучшее наполнение цилиндров и соответственно увеличивается мощность двигателя.

Как показывает практика, снижение температуры наддувочного воздуха на 10°С дает около 3% прироста мощности. При этом горение топливно-воздушной смеси становится более эффективным, повышается топливная экономичность и снижение вредных выбросов. В целом эффект от использования интеркулера составляет порядка 20% повышения мощности двигателя.

Но не все так гладко с применением интеркулера. Охлаждая наддувочный воздух, интеркулер создает препятствие для этого воздуха, а значит, снижается давление наддува. Поэтому интеркулер в системе турбонаддува это всегда компромисс эффекта и потерь для достижения этого эффекта.

По принципу охлаждения наддувочного воздуха различают два типа охладителей: воздушного охлаждения и водяного охлаждения. Благодаря своей простоте наибольшее распространение получилипромежуточные охладители воздушного типа. Интеркулер устанавливается между компрессором и впускным коллектором. Конструктивно охладитель представляет собой теплообменник, состоящий из системы труб и находящихся между ними пластин.

Трубы изменяют свое направление по длине, чем достигается увеличение общей длины теплообменника и лучшее охлаждение воздуха. С другой стороны каждый изгиб трубы представляет собой препятствие для воздуха и приводи к снижению давления наддува. Пластины увеличивают площадь поверхности интеркулера и обеспечивают лучшую теплоотдачу. В качестве материала для труб и пластин используется алюминий, обладающей высокой теплопроводностью. Реже применяется медь.

Интеркулер воздушного типа устанавливается в свободном месте в подкапотном пространстве:

  1.  в центральной части за передним бампером (в бампере выполняется соответствующий вырез);
  2.  над двигателем под капотом (в капоте выполняется воздухозаборник специальной формы);
  3.  в боковой части передних крыльев слева и справа (в крыльях выполняются воздухозаборники специальной формы).

Создание интеркулера для нужд конкретного двигателя заключается в определении множества конструктивных параметров: фронтальная площадь теплообменника, внутреннее проходное сечение, внутренний объем, толщина теплообменника, направление потока в теплообменнике и ряд других.

Интеркулер водяного типа имеет ряд неоспоримых преимуществ, в сравнении с воздушным собратом. Благодаря своей компактности водяной охладитель может быть установлен в любом свободном месте в подкапотном пространстве. Вода (охлаждающая жидкость) отводит тепло более интенсивно, поэтому эффективность водяного интеркулера значительно выше. Правда, при нагреве жидкости нужно больше времени для остывания.

За все преимущества приходится расплачиваться достаточно сложной конструкцией интеркулера, которая помимо водяного теплообменника включает воздушный радиатор, водяной насос, систему патрубков, электронный блок управления. Вместе с системой охлаждения двигателя они образуют двухконтурную систему охлаждения.

По причине сложности конструкции система охлаждения наддувочного воздуха водяного типа применяется достаточно редко, в случаях, когда воздушный охладитель применить невозможно. Например, водяной охладитель наддувочного воздуха применяется на некоторых двигателях TSI.

Турбокомпрессор (turbocharger) обеспечивает повышение давления во впускной системе за счет использования энергии отработавших газов. В результате его работы увеличивается масса воздуха в камерах сгорания. Турбокомпрессор является более эффективным устройством наддува в сравнении с механическим нагнетателем, т.к. не использует мощность двигателя для привода.

Но использование турбокомпрессора все же приводит к определенным потерям мощности. Находясь в выпускном тракте, турбокомпрессор создает препятствие для движения отработавших газов из цилиндров. Создаваемое противодавление заставляет двигатель выполнять большую работы по очистке цилиндров от продуктов сгорания, соответственно тратить на это мощность. Но в сравнении с приростом мощности от применения турбокомпрессора на 30-40%, данные потери незначительны.

Основная проблема применения турбокомпрессора заключается в отставании изменения выходной мощности в ответ на изменение давления отработавших газов, т.н. турбозадержка или турбояма(turbolag). Основными причинами турбоямы являются инерционность, силы трения и нагрузки турбокомпрессора.

Устройство турбокомпрессора (турбонагнетателя)

Турбокомпрессор состоит из трех основных элементов: турбины, центробежного компрессора и центрального корпуса. Турбинапреобразует кинетическую энергию отработавших газов во вращательное движение компрессора. Она объединяет турбинное колесо, помещенное в корпус специальной формы – улитку.

Отработавшие газы поступают в корпус, двигаются по его каналу и направляются на лопатки турбинного колеса. Колесо раскручивается до высокой скорости (до 250000 об/мин). Колесо приварено к валу, который передает вращение на колесо компрессора. Проходя через лопасти турбинного колеса, отработавшие газы покидают турбину через центральное отверстие и отводятся в выпускную систему.

Турбина работает в условиях высокой температуры, поэтому ее элементы изготавливаются из жаропрочных материалов: турбинное колесо - из железоникелевого сплава, корпус – из стали.

Производительность турбокомпрессора во многом определяется размером и формой турбины. В общем виде, чем больше турбина, тем выше производительность компрессора. Большой турбокомпрессор воспринимает большее давление отработавших газов и соответственно обеспечивает больший прирост мощности. Но при низких оборотах двигателя в нем наиболее остро наблюдается турбозадержка. Маленький турбокомпрессор раскручивается до номинальной скорости значительно быстрее, но имеет меньшую производительность.

Для регулирования давления наддува в корпусе турбины устанавливаетсяперепускной клапан (wastegate). Клапан имеет пневматический привод и регулируется системой управления двигателем.

Центральный корпус служит для размещения вала, позволяя ему вращаться с максимальной скоростью и минимальным трением. Вал вращается в одном или двух подшипниках. В качестве подшипников используются различные конструкции подшипников скольжения, реже – шарикоподшипники.

Смазка подшипников и вала производится системой смазки двигателя. Масло проходит через множество каналов между корпусом и подшипником, а также между подшипником и валом. Масло не только смазывает, но и охлаждает нагретые детали. В турбированных двигателях с искровым зажиганием центральный корпус включен в систему охлаждения двигателя, чем достигается лучшее охлаждение.

Центробежный компрессор непосредственно создает дополнительное давление во впускной системе. Конструкция его аналогична соответствующему механическому нагнетателю и включает корпус с компрессорным колесом. Движение воздуха в компрессоре осуществляется от центра колеса к периферии корпуса. Диффузор преобразует кинетическую энергию воздуха в давление за счет резкого снижения скорости потока. Сжатый воздух поступает через впускной коллектор в двигатель. Компрессорное колесо и корпус компрессора изготавливаются из алюминия.

Для снижения последствий турбозадержки, повышения производительности конструкция турбокомпрессора постоянно совершенствуется. Наиболее востребованными техническими решениями являются:

  1.  снижение массы турбины за счет применения более легких и прочных материалов (керамика и др.);
  2.  применение новых конструкций подшипников, обеспечивающих снижение потерь на трение;
  3.  раздельный турбокомпрессор (twin-scroll);
  4.  турбина с изменяемой геометрией (VNT-турбина).

Раздельный турбокомпрессоримеет два входа для отработавших газов и два сопла, рассчитанных на каждую пару цилиндров. Одно сопло предназначено для быстрого реагирования. Другое сопло обеспечивает максимальную производительность. Помимо высокой производительности конструкция турбокомпрессора с двойной улиткой разделяет выпускные каналы, предотвращая их перекрытие при выпуске отработавших газов.

Схема турбины с изменяемой геометрией (VNT-турбины)

Турбина с изменяемой геометрией(другое наименование – турбина с переменным соплом) широко используется в дизельных двигателях, например в двигателе TDI от Volkswagen. В турбокомпрессоре установлено девять подвижных лопастей для регулирования потока отработавших газов к турбине. Угол наклона лопастей регулируется приводом, который блокирует или увеличивает поток отработавших газов. Изменение положения лопастей позволяет согласовать скорость отработавших газов и давление нагнетаемого воздуха с оборотами двигателя.

В ряде конструкций турбонаддува используется несколько турбокомпрессоров: два (twin-turbo), три (triple-turbo) и даже четыре (quad-turbo). Турбокомпрессоры устанавливаются последовательно, при этом один работает при низких оборотах двигателя, другой – при высоких оборотах. На V-образных двигателях практикуется параллельная схема установки турбокомпрессоров (на каждый ряд по компрессору). Резон данной схемы – два небольших турбокомпрессора эффективнее одного большого.

Механический нагнетатель - основной конструктивный элемент системы механического наддува. С помощью нагнетателя в впускном тракте создается давление выше атмосферного, а механический он потому, что привод рабочего органа осуществляется непосредственного от коленчатого вала двигателя. За рубежом механический нагнетатель называют одним словом – supercharger.

Применение механического нагнетателя обеспечивает повышение мощности (до 50%) и крутящего момента (до 30%) двигателя. Вместе с тем, механический нагнетатель отличают значительные затраты мощности двигателя на привод, которые могут достигать 30%.

Механический нагнетатель выполняет следующие взаимосвязанные функции: втягивание воздуха, сжатие воздуха и нагнетание воздуха во впускную систему. Втягивание воздуха происходит посредством созданного разряжения. Для того чтобы создать давление, нагнетатель должен вращаться быстрее чем двигатель. Нагнетание воздуха в впускной тракт осуществляется за счет разницы давлений в системе.

Воздух имеет свойство нагреваться при сжатии, при этом снижается его плотность и соответственно давление. Поэтому в системах наддува сжатый воздух охлаждается с помощью специального воздушного или жидкостного охладителя – интеркулера.

Механический нагнетатель конструктивно может иметь один из следующих приводов:

  1.  прямой привод (непосредственное крепление нагнетателя на фланец коленчатого вала);
  2.  ременной привод (различный виды ремней – клиновой, зубчатый, плоский);
  3.  цепной привод;
  4.  зубчатая передача (цилиндрический редуктор);
  5.  электрический привод (электродвигатель).

На современных автомобилях применяются три основных типа механических нагнетателей:

  1.  кулачковый нагнетатель (нагнетатель Roots);
  2.  винтовой нагнетатель (нагнетатель Lysholm);
  3.  центробежный нагнетатель.

Кулачковый нагнетатель

Кулачковый нагнетатель является самым старым типом механического нагнетателя, т.к. используется на автомобилях с 1900 года. Имеет другое название по имени изобретателей – нагнетатель Roots, обиходное название воздуходувка.

Современный кулачковый нагнетатель имеет два трех- или четырехкулачковых ротора, которые вращаются навстречу друг другу. Кулачки расположены по спирали на всей длине ротора. Угол закрутки кулачков обеспечивает максимальную эффективность в плане нагнетания и потерь.

По конструкции и принципу действия кулачковый нагнетатель очень похож на шестеренный масляный насос. Воздух в нагнетателе захватывается кулачками, перемещается в пространстве между кулачками и стенками корпуса, нагнетается в впускной трубопровод. Имеет место т.н. внешнее нагнетание.

Нагнетатель Roots характеризует быстрое создание необходимого давления наддува, а также рост этого давления с увеличением частоты вращения коленчатого вала. Вместе с тем в определенный момент может образоваться избыток давления, и как следствие – заторы в нагнетательном канале, снижение мощности двигателя. Поэтому при использовании механических нагнетателей всех типов осуществляется регулирование давления наддува.

Регулирование давления наддува производится двумя способами:

  1.  отключением нагнетателя (например, с помощью электромагнитной муфты);
  2.  перепусканием воздуха при непрерывной работе нагнетателя (с помощью перепускного клапана).

Современные системы механического наддува имеют электронное регулирование наддува, включающее входные датчики (датчик давления наддува, датчик температуры во впускном коллекторе и др.), электронный блок управления, исполнительные механизмы(электромеханический модуль привода перепускного клапана, электромагнит муфты и др.).

Нагнетатели Roots имеют достаточно высокую стоимость, обусловленную малыми допусками в изготовлении. Они предъявляют повышенные требования к чистоте подаваемого воздуха, т.к. инородный предмет в впускной системе может привести к выходу из строя нагнетателя. Необходимо отметить большой вес нагнетателя и высокий уровень шума при его работе. Производители достаточно эффективно борются с шумом. В их арсенале специальная конструкция корпуса, демпфирующие пластины и маты, резонатор, демпферы и др.

Ведущим производителем нагнетателей Roots является фирма Eaton, которая в настоящее время предлагает высокоэффективные четырехкулачковые нагнетатели TVSTwin Vortices Series(дословно - спаренная серия вихрей). Данные нагнетатели устанавливаются на серийные двигатели автомобилей Cadillac,ToyotaAudi. На некоторых двигателях кулачковые нагнетатели используются совместно с турбонагнетателями, например двойной наддув двигателя TSI.

Винтовой нагнетатель

Винтовой нагнетатель (другое наименование по имени изобретателя – нагнетатель Lysholm) по конструкции похож на нагнетатель Roots. Нагнетатель включает два ротора-шнека специальной формы (один ротор c выступами, другой – с выемками). Роторы имеют коническую форму, при которой воздушные камеры между роторами уменьшаются в размере по длине.

Порция воздуха захватывается шнеками, перемещается и сжимается при вращении шнеков и нагнетается в впускной патрубок. В отличие от кулачковых нагнетателей винтовой нагнетатель обеспечивает внутреннее (т.е. между шнеков) нагнетание воздуха, которое более эффективно. Но цена винтовых нагнетателей значительно больше, поэтому и применяются они реже, в основном на дорогих спортивных автомобилях.

Центробежный нагнетатель

Центробежный нагнетатель в части нагнетания воздуха аналогичентурбокомпрессору. Основу нагнетателя составляет рабочее колесо (крыльчатка), которое вращается с высокой скоростью (порядка 50000-60000 об/мин).

Воздух засасывается в центральную часть колеса. Центробежная сила направляет воздух по лопастям специальной формы наружу. Из рабочего колеса он выходит на большой скорости и с низким давлением. При выходе воздух сталкивается с диффузором, имеющим множество стационарных лопаток вокруг рабочего колеса. Высокоскоростной поток воздуха низкого давления преобразуется в поток воздуха низкой скорости и высокого давления.

Центробежные нагнетатели наиболее распространены из всех механических нагнетателей. Они компактные, легкие, эффективные, имеют возможность разнообразного крепления на двигателе. В пассив центробежных нагнетателей следуют отнести зависимость производительности от скорости вращения коленчатого вала. Это качество центробежных нагнетателей предполагает использование привода с переменным передаточным отношением. Максимальное передаточное отношение привода требуется при низких оборотах двигателя, минимальное - при высоких оборотах.

Область применения механических нагнетателей достаточно широка:

  1.  спортивные автомобили;
  2.  тюнинг автомобилей;
  3.  серийные автомобили.

Практически все спортивные автомобили используют механические нагнетатели – это их основное применение. Установка механических нагнетателей является одним из направлений тюнинга автомобилей. Производители предлагают комплекты, включающие необходимые конструктивные элементы для установки на двигатель. На серийных автомобилях механические нагнетатели встречаются достаточно редко.

В силу своей конструкции нагнетатели Roots и Lysholm применяются для обеспечения высокой разгонной динамики, центробежные нагнетатели эффективны в поддержании высоких скоростей.

Дроссельная заслонка является конструктивным элементомвпускной системы бензиновых двигателей внутреннего сгорания с впрыском топлива и предназначена для регулирования количества воздуха, поступающего в двигатель для образования топливно-воздушной смеси. Дроссельная заслонка устанавливается между воздушным фильтром и впускным коллектором.

По своей сути дроссельная заслонка является воздушным клапаном. При открытой заслонке давление во впускной системе соответствует атмосферному давлению, при закрытии - уменьшается до состояния вакуума. Это свойство дроссельной заслонки используется в работевакуумного усилителя тормозов, для продувки адсорбера системы улавливания паров бензина.

Дроссельная заслонка может иметь следующие виды привода:

  1.  механический привод;
  2.  электрический привод с электронным управлением.

Дроссельная заслонка с механическим приводом

Механический привод дроссельной заслонки в настоящее время применяется на большинстве бюджетных машин. Привод предполагает связь педали газа и дроссельной заслонки с помощью металлического троса.

Схема дроссельной заслонки с механическим приводом

Элементы дроссельной заслонки объединены в отдельный блок, который включает корпус, дроссельную заслонку на валу,датчик положения дроссельной заслонки, регулятор холостого хода.

Корпус дроссельной заслонкивключен в систему охлаждения двигателя. В нем также выполнены патрубки, обеспечивающие работусистемы вентиляции картера и системы улавливания паров бензина.

Регулятор холостого хода поддерживает заданную частоту вращения коленчатого вала двигателя при закрытой дроссельной заслонке во время пуска, прогрева и при изменении нагрузки во время включения дополнительного оборудования. Он состоит из шагового электродвигателя и соединенного с ним клапана, которые изменяют количество воздуха, поступающего во впускную систему в обход дроссельной заслонки.

Дроссельная заслонка с электрическим приводом

На современных автомобилях механический привод дроссельной заслонки заменен на электрический привод с электронным управлением, что позволяет достичь оптимальной величины крутящего момента на всех режимах работы двигателя. При этом обеспечивается снижение расхода топлива, выполнение экологических требований, безопасность движения.

Отличительными особенностями дроссельной заслонки с электрическим приводом являются:

  1.  отсутствие механической связи между педалью газа и дроссельной заслонкой;
  2.  регулирование холостого хода путем перемещения дроссельной заслонки.

Так как между педалью газа и дроссельной заслонкой нет жесткой связи, используется электронная система управления дроссельной заслонкой. Электроника в управлении дроссельной заслонкой позволяет влиять на величину крутящего момента двигателя, даже если водитель не воздействует на педаль газа. Система включает входные датчики, блок управления двигателем и исполнительное устройство.

Помимо датчика положения дроссельной заслонки в системе управления используются:

  1.  датчик положения педали газа;
  2.  выключатель положения педали сцепления;
  3.  выключатель положения педали тормоза.

В работе системы управления дроссельной заслонкой также используются сигналы от автоматической коробки передач,тормозной системыклиматической установкикруиз-контроля.

Блок управления двигателем воспринимает сигналы от датчиков и преобразует их в управляющие воздействия на модуль дроссельной заслонки.

Схема дроссельной заслонки с электрическим приводом

Модуль дроссельной заслонкисостоит из корпуса, собственно дроссельной заслонки, электродвигателя, редуктора, возвратного пружинного механизма и датчиков положения дроссельной заслонки.

Для повышения надежности в модуле устанавливается два датчика положения дроссельной заслонки. В качестве датчиков используются потенциометры со скользящим контактом или бесконтактные магниторезистивные датчики. Графики изменения выходных сигналов датчиков направлены навстречу друг другу, что позволяет их различать блоку управления двигателем.

В конструкции модуля предусмотрено аварийное положение дроссельной заслонки при неисправности привода, которое осуществляется с помощью возвратного пружинного механизма. Неисправный модуль дроссельной заслонки заменяется в сборе.

Для облегчения запуска дизельных двигателей в холодное время (от +5 до –30°С) производится нагрев воздуха в цилиндрах с помощьюсвечей накаливания. По своей сути свечи накаливания являются одним из устройств предпускового подогрева.

Свеча накаливания имеет различные места установки в зависимости от конструкции дизельного двигателя :

  1.  в вихревой камере (двигатели с раздельной камерой сгорания);
  2.  в форкамере (двигатели с раздельной камерой сгорания);
  3.  в камере сгорания (двигатели с нераздельной камерой сгорания).

Конструктивно свеча накаливания представляет собой электрическое нагревательное устройство, состоящее из спирали накала, помещенной в защитную оболочку. Различают два вида свечей накаливания:

  1.  с металлической спиралью;
  2.  керамические.

Схема свечи накаливания

Свеча накаливания с металлической спиралью включает нагревательный наконечник из термостойкого сплава, в который помещены две последовательно соединенные спирали: нагревательная и регулировочная. Нагревательная спираль обеспечивает быстрый нагрев наконечника. Регулировочная спираль регулирует интенсивность накала нагревательной спирали за счет увеличения электрического сопротивления при повышении температуры. Таким способом обеспечивается саморегулирование величины накала свечи и защита ее от перегрева.

Пространство между нагревательной трубкой и спиралями заполняется изолирующим наполнителем, который выполняет две функции – защиты спирали от механических воздействий и эффективной передачи тепла. Свечи накаливания с металлической спиралью реализуют температуру накала до 1000°С и обеспечивают время прогрева 3-4 сек.

Керамическая свеча накаливания имеет аналогичную конструкцию, но в ней керамический нагревательный элемент, выполняющий функции спирали, помещен в керамическую оболочку. Керамические свечи накаливания имеют более высокую температуру накала (до 1350°С), меньшее время прогрева (2 сек) и соответственно лучшие характеристики холодного запуска.

Ведущими производителями свечей накаливания являются фирмыBoschNGKLucas.

Управление свечами накаливания производится с помощью релеили отдельного электронного блока управления. Данные устройства регулируют величину подаваемого на свечи напряжения и, тем самым, обеспечивают необходимый момент и температуру накала, а также продолжительность нагрева.

Работа реле свечей накаливания (блока управления) осуществляется на основании сигналов входных датчиков (датчика температуры охлаждающей жидкостидатчика частоты вращения коленчатого вала) системы управления дизельным двигателем.

Свечи накаливания включаются при определенных температурных условиях во время запуска двигателя (первое положение ключа в замке зажигания), о чем сигнализирует контрольная лампа на панели приборов. После того, как лампа погаснет, а прогрев закончится, производится запуск двигателя (второе положение ключа в замке зажигания).

На современных дизельных двигателях свечи накаливания помимо предварительного (предпускового) накала обеспечиваютдополнительный накал после запуска двигателя. Дополнительный накал производится для уменьшения шума при сгорании смеси на непрогретом двигателе, а также сокращения вредных выбросов в атмосферу. Фаза дополнительного накала имеет продолжительность порядка 3 минут и заканчивается при достижении охлаждающей жидкостью температуры 20-30°С.

Керамические свечи накаливания помимо дополнительного накала используются для регенерации сажевого фильтра.

Система зажигания предназначена для воспламенения топливно-воздушной смеси бензинового двигателя. Воспламенение смеси происходит от искры, поэтому другое наименование системы -искровая система зажигания, а бензинового двигателя - двигатель с искровым зажиганием (сокращенно - ДсИЗ).

В зависимости от способа управления процессом зажигания различают следующие типы систем зажигания:

  1.  контактная система зажигания;
  2.  бесконтактная (транзисторная) система зажигания;
  3.  электронная (микропроцессорная) система зажигания.

В контактной системе зажиганияуправление накоплением и распределение электрической энергии по цилиндрам осуществляется механическим устройством - прерывателем-распределителем. Дальнейшим развитием контактной системы зажигания является контактная транзисторная система зажигания, в первичной цепи катушки зажигания которой применен транзисторный коммутатор.

В отличие от контактной в бесконтактной системе зажигания для управления накоплением энергии используется транзисторный коммутатор, взаимодействующий с бесконтактным датчиком импульсов. Транзисторный коммутатор в данной системе выполняет роль прерывателя. Распределение тока высокого напряжения осуществляется механическим распределителем.

В микропроцессорной системе зажигания используетсяэлектронный блок управления, с помощью которого производится управление процессом накопления и распределения электрической энергии. В ранних конструкциях электронной системы зажигания электронный блок одновременно управлял системой зажигания исистемой впрыска топлива (т.н. объединенная система впрыска и зажигания). В настоящее время управление зажиганием включено всистему управления двигателем.

Не смотря на различия в конструкции можно выделить следующееобщее устройство системы зажигания:

  1.  источник питания (автомобильный генератор и аккумуляторная батарея);
  2.  выключатель зажигания;
  3.  устройство управления накоплением энергии (прерыватель, транзисторный коммутатор, электронный блок управления);
  4.  накопитель энергии (катушка зажигания);
  5.  устройство распределения энергии по цилиндрам (механический распределитель, электронный блок управления );
  6.  высоковольтные провода;
  7.  свечи зажигания.

Принцип работы системы зажигания заключается в накоплении и преобразовании катушкой зажигания низкого напряжения (12В) электрической сети автомобиля в высокое напряжение (до 30000В), распределении и передаче высокого напряжения к соответствующей свече зажигания и образовании в нужный момент искры на свече зажигания.

В работе системы зажигания можно выделить следующие этапы:

  1.  накопление электрической энергии;
  2.  преобразование энергии;
  3.  распределение энергии по свечам зажигания;
  4.  образование искры;
  5.  воспламенение топливно-воздушной смеси.

Контактная система зажигания является самым старым типомсистемы зажигания. В настоящее время данная система применяется на некоторых моделях отечественных автомобилей (т.н. «классике»).

Создание высокого напряжения и распределение его по цилиндрам в данной системе происходит с помощью контактов.

Контактная система зажигания имеет следующее устройство:

  1.  источник питания;
  2.  выключатель зажигания;
  3.  механический прерыватель тока низкого напряжения;
  4.  катушка зажигания;
  5.  механический распределитель тока высокого напряжения;
  6.  центробежный регулятор опережения зажигания;
  7.  вакуумный регулятор опережения зажигания;
  8.  высоковольтные провода;
  9.  свечи зажигания.

Схема контактной системы зажигания

Механический прерывательпредназначен для размыкания цепи низкого напряжения (цепи первичной обмотки катушки зажигания). При размыкании контактов во вторичной цепи катушки зажигания наводится высокое напряжение. Для защиты контактов от обгорания в цепь параллельно контактам включен конденсатор.

Катушка зажигания служит для преобразования тока низкого напряжения в ток высокого напряжения. Катушка имеет две обмотки – низкого и высокого напряжения.

Механический распределительобеспечивает распределение тока высокого напряжения по свечам цилиндров двигателя. Распределитель состоит из ротора (обиходное название «бегунок») и крышки. В крышке выполнены центральный и боковые контакты. На центральный контакт подается высокое напряжение от катушки зажигания. Через боковые контакты высокое напряжение передается на соответствующие свечи зажигания.

Прерыватель и распределитель конструктивно объединены в одном корпусе и приводятся в действие от коленчатого вала двигателя. Данное устройство имеет общее название прерыватель-распределитель (обиходное название – «трамблер»).

Центробежный регулятор опережения зажигания служит для изменения угла опережения зажигания в зависимости от числа оборотов коленчатого вала двигателя. Конструктивно центробежный регулятор состоит из двух грузиков. Грузики воздействуют на подвижную пластину, на которой расположены кулачки прерывателя.

Углом опережения зажигания называется угол поворота коленчатого вала двигателя, при котором происходит подача тока высокого напряжения на свечи зажигания. Для того, чтобы топливно-воздушная смесь полностью и эффективно сгорела зажигание производится с опережением, т.е. до достижения поршнем верхней мертвой точки.

Установка угла опережения зажигания производится регулировкой положения прерывателя-распределителя в двигателе.

Вакуумный регулятор опережения зажигания обеспечивает изменение угла опережения зажигания в зависимости от нагрузки на двигатель. Нагрузка на двигатель определяется степенью открытия дроссельной заслонки (положением педали газа). Вакуумный регулятор соединен с полостью за дроссельной заслонкой и, в зависимости от степени разряжения в полости, изменяет угол опережения зажигания.

Высоковольтные провода служат для подачи тока высокого напряжения от катушки зажигания к распределителю и от распределителя на свечи зажигания.

Свеча зажигания предназначена для воспламенения топливно-воздушной смеси путем образования искрового разряда.

Принцип работы контактной системы зажигания

При замкнутом контакте прерывателя ток низкого напряжения протекает по первичной обмотке катушки зажигания. При размыкании контактов во вторичной обмотке катушки зажигания индуцируется ток высокого напряжения. По высоковольтным проводам ток высокого напряжения подается на крышку распределителя, от которой распределяется по соответствующим свечам зажигания с определенным углом опережения зажигания.

При увеличении оборотов коленчатого вала двигателя, увеличиваются обороты вала прерывателя распределителя. Грузики центробежного регулятора опережения зажигания под действием центробежной силы расходятся, перемещая подвижную платину с кулачками прерывателя. Контакты прерывателя размыкаются раньше, тем самым увеличивается угол опережения зажигания. При уменьшении оборотов коленчатого вала двигателя угол опережения зажигания уменьшается.

Дальнейшим развитием контактной системы зажигания являетсяконтактно-транзисторная система зажигания. В цепи первичной обмотки катушки зажигания применен транзисторный коммутатор, управляемый контактами прерывателя. В данной системе за счет применения транзисторного коммутатора уменьшена сила тока в цепи первичной обмотки, тем самым увеличен срок службы контактов прерывателя.

Бесконтактная система зажигания является конструктивным продолжение контактно-транзисторной системы зажигания. В даннойсистеме зажигания контактный прерыватель заменен бесконтактным датчиком. Бесконтактная система зажигания стандартно устанавливается на ряде моделей отечественных автомобилей, а также может устанавливаться самостоятельно вместо контактной системы зажигания.

Применение бесконтактной системы зажигания позволяет повысить мощность двигателя, снизить расход топлива и выбросы вредных веществ за счет более высокого напряжения разряда (30000В) и соответственно более качественного сгорания топливно-воздушной смеси.

Бесконтактная система зажигания имеет следующее устройство:

  1.  источник питания;
  2.  выключатель зажигания;
  3.  датчик импульсов;
  4.  транзисторный коммутатор;
  5.  катушка зажигания;
  6.  распределитель;
  7.  центробежный регулятор опережения зажигания;
  8.  вакуумный регулятор опережения зажигания;
  9.  провода высокого напряжения;
  10.  свечи зажигания.

Схема бесконтактной системы зажигания

В целом устройство бесконтактной системы зажигания аналогичноконтактной системе зажигания, за исключением следующих устройств: датчика импульсов и транзисторного коммутатора.

Датчик импульсов предназначен для создания электрических импульсов низкого напряжения. Различают датчики импульсов следующих типов:

  1.  датчик Холла;
  2.  индуктивный датчик;
  3.  оптический датчик.

Наибольшее применение в бесконтактной системе зажигания нашел датчик импульсов использующий эффект Холла (возникновение поперечного напряжения в пластине проводника с током под действием магнитного поля). Датчик Холла состоит из постоянного магнита, полупроводниковой пластины с микросхемой и стального экрана с прорезями (обтюратора).

Прорезь в стальном экране пропускает магнитное поле и в полупроводниковой пластине возникает напряжение. Стальной экран не пропускает магнитное поле, и напряжение на полупроводниковой пластине не возникает. Чередование прорезей в стальном экране создает импульсы низкого напряжения.

Датчик импульсов конструктивно объединен с распределителем и образуют одно устройство – датчик-распределитель. Датчик-распределитель внешне подобен прерывателю-распределителю и имеет аналогичный привод от коленчатого вала двигателя.

Транзисторный коммутатор служит для прерывания тока в цепи первичной обмотки катушки зажигания в соответствии с сигналами датчика импульсов. Прерывание тока осуществляется за счет отпирания и запирания выходного транзистора.

Принцип работы бесконтактной системы зажигания

При вращении коленчатого вала двигателя датчик-распределитель формирует импульсы напряжения и передает их на транзисторный коммутатор. Коммутатор создает импульсы тока в цепи первичной обмотки катушки зажигания. В момент прерывания тока индуцируется ток высокого напряжения во вторичной обмотке катушки зажигания. Ток высокого напряжения подается на центральный контакт распределителя. В соответствии с порядком работы цилиндров двигателя ток высокого напряжения подается по проводам высокого напряжения на свечи зажигания. Свечи зажигания осуществляют воспламенение топливно-воздушной смеси.

При увеличении оборотов коленчатого вала регулирование угла опережения зажигания осуществляется центробежным регулятором опережения зажигания.

При изменении нагрузки на двигатель регулирование угла опережения зажигания производит вакуумный регулятор опережения зажигания.

Электронной системой зажигания называется система зажигания, в которой создание и распределение тока высокого напряжения по цилиндрам двигателя осуществляется с помощью электронных устройств. Система имеет другое название - микропроцессорная система зажигания.

Необходимо отметить, что контактно-транзисторная система зажигания и бесконтактная система зажигания также включают электронные компоненты, но данные системы уже имеют свои устоявшиеся названия.

С другой стороны электронная система зажигания не имеет механических контактов, поэтому, по сути, является бесконтактной системой зажигания.

На современных автомобилях электронная система зажигания является составной частьюсистемы управления двигателем. Данная система осуществляет управлениеобъединенной системой впрыска и зажигания, а на последних моделях автомобилей и рядом других систем – впускной и выпускной системами, системой охлаждения.

Существует множество конструкций электронных систем зажигания (Bosch Motronic, Simos, Magneti-Marelli и др.), отличающихся по конструкции. Электронные системы зажигания можно разделить на два вида:

  1.  системы зажигания с распределителем;
  2.  системы прямого зажигания.

Первый вид электронных систем зажигания в своей работе использует механический распределитель, с помощью которого осуществляется подача тока высокого напряжения на конкретную свечу. В системах прямого зажигания подача тока высокого напряжения на свечу производится непосредственно с катушки зажигания.

Вместе с тем, электронная система зажигания имеет следующее общее устройство:

  1.  источник питания;
  2.  выключатель зажигания;
  3.  входные датчики;
  4.  электронный блок управления;
  5.  воспламенитель;
  6.  катушка зажигания;
  7.  провода высокого напряжения (на некоторых видах системы);
  8.  свечи зажигания.

Входные датчики фиксируют текущие параметры работы двигателя и преобразуют их в электрические сигналы. Система электронного зажигания в своей работе использует входные датчики, входящие в состав системы управления двигателем:

  1.  датчик частоты вращения коленчатого вала двигателя;
  2.  датчик положения распределительного вала;
  3.  датчик массового расхода воздуха;
  4.  датчик детонации;
  5.  датчик температуры воздуха;
  6.  датчик температуры охлаждающей жидкости;
  7.  датчик давления воздуха;
  8.  датчик положения дроссельной заслонки;
  9.  датчик положения педали газа;
  10.  датчик давления топлива;
  11.  кислородный датчик;
  12.  и другие.

Номенклатура датчиков на разных моделях автомобилей может различаться.

Электронный блок управления двигателем обрабатывает сигналы входных датчиков и формирует управляющие воздействия на воспламенитель.

Воспламенитель представляет собой электронную плату, обеспечивающую включение и выключение зажигания. Основу воспламенителя составляет транзистор. При открытом транзисторе ток протекает по первичной обмотке катушки зажигания, при закрытом - происходит его отсечка и наводка тока высокого напряжения во вторичной обмотке.

Электронная система зажигания может иметь одну общую катушку зажигания, индивидуальные катушки зажигания или сдвоенные катушки зажигания.

Общая катушка зажигания применяется в электронной системе зажигания с распределителем. Индивидуальные катушки зажигания устанавливаются непосредственно на свечу, поэтому необходимость в высоковольтных проводах отпадает.

В системах прямого зажигания также используются сдвоенные катушки зажигания. На четырехцилиндровом двигателе устанавливается две таких катушки: одна для 1 и 4 цилиндров, другая – для 2 и 3 цилиндров. Каждая из катушек создает ток высокого напряжения на двух выводах, поэтому искра зажигания всегда происходит одновременно в двух цилиндрах. В одном из цилиндров она воспламеняет топливно-воздушную смесь, в другом происходит вхолостую.

Принцип работы электронной системы зажигания

В соответствии с сигналами датчиков электронный блок управления вычисляет оптимальные параметры работы системы. Осуществляется управляющее воздействие на воспламенитель, который обеспечивает подачу напряжения на катушку зажигания. В цепи первичной обмотки катушки зажигания начинает протекать ток.

При прерывании напряжения, во вторичной обмотке катушки индуцируется ток высокого напряжения. По высоковольтным проводам или непосредственно с катушки зажигания ток высокого напряжения подается к соответствующей свече зажигания. Создающаяся искра в свече зажигания воспламеняет топливно-воздушную смесь.

При изменении скорости вращения коленчатого вала двигателя датчик частоты вращения коленчатого вала двигателя и датчик положения распределительного вала подают сигналы в электронный блок управления, который в свою очередь осуществляет необходимое изменение угла опережения зажигания.

При увеличении нагрузки на двигатель управление углом опережения зажигания осуществляется с помощью датчика массового расхода воздуха. Дополнительную информацию о процессе воспламенения и сгорания топливно-воздушной смеси дает датчик детонации. Другие датчики представляют дополнительную информацию о режимах работы двигателя.

Катушка зажигания является сердцем системы зажигания, т.к. обеспечивает в ней создание высокого напряжения. Катушка зажигания применяется во всех системах зажигания: контактной, бесконтактной, электронной. По своей сути катушка зажигания это трансформатор с двумя обмотками.

Различают следующие типы катушек зажигания:

  1.  общая катушка зажигания;
  2.  индивидуальная катушка зажигания;
  3.  сдвоенная катушка зажигания.

Общая катушка зажигания применяется в контактной, бесконтактной системах зажигания и электронной системе зажигания с распределителем.

Схема катушки зажигания

Катушка зажигания имеет следующее устройство. Катушка объединяет две обмотки – первичную и вторичную. Первичная обмотка содержит от 100 до 150 витков толстой медной проволоки. Для предупреждения скачков напряжения и короткого замыкания проволока изолирована. Первичная обмотка имеет два низковольтных вывода на крышке катушки зажигания.

Вторичная обмотка имеет от 15000 до 30000 витков тонкой медной проволоки. Вторичная обмотка находится внутри первичной обмотки. Один конец вторичной обмотки соединен с отрицательной клеммой первичной обмотки, другой – с центральной клеммой на крышке, обеспечивающей вывод высокого напряжения.

Для повышения силы магнитного поля обмотки располагаются вокруг железного сердечника. Обмотки вместе с сердечником помещены в корпус с изолирующей крышкой. Для предотвращения токового нагрева катушка заполнена трансформаторным маслом.

Основными характеристиками катушки зажигания являются сопротивление обмоток, которое для каждой модели индивидуальное. Для примера, сопротивление первичной обмотки составляет порядка 3-3,5 Ом, вторичной обмотки – 5000-9000 Ом. Отклонение величины сопротивления обмотки от нормативного значения свидетельствует о неисправности катушки.

Работа катушки зажигания основана на возникновении во вторичной обмотке высокого напряжения при прохождении по первичной обмотке импульса тока низкого напряжения. При прохождении через первичную обмотку тока создается магнитное поле. При отсечке тока магнитное поле наводит во вторичной обмотке ток высокого напряжения, который выводится через центральную клемму катушки и с помощью распределителя подается к свечам зажигания.

Индивидуальная катушка зажигания применяется в электронной системе прямого зажигания. Как и общая катушка зажигания, она включает первичную и вторичную обмотки. Здесь, наоборот, первичная обмотка находится внутри вторичной. В первичной обмотке установлен внутренний сердечник, а вокруг вторичной – внешний сердечник.

В индивидуальной катушке зажигания могут располагаться электронные компоненты воспламенителя. Высокое напряжение, вырабатываемое во вторичной обмотке, подается напрямую на свечу зажигания с помощью наконечника, включающего стержень высокого напряжения, пружину и изолирующую оболочку. Для быстрого отсекания тока высокого напряжения во вторичной обмотке устанавливается диод высокого напряжения.

Сдвоенная катушка зажигания (другое наименование –двухвыводная катушка зажигания) применяется во многих конструкциях электронной системы прямого зажигания. Сдвоенная катушка имеет два высоковольтных вывода, которые обеспечивают синхронное получение искры двумя цилиндрами одновременно. При этом только один цилиндр находится в конце такта сжатия. В другом цилиндре искра происходит вхолостую на такте выпуска отработавших газов.

Двухвыводная катушка зажигания имеет различное соединение со свечами зажигания:

  1.  с помощью проводов высокого напряжения;
  2.  одна свеча – напрямую через наконечник, другая – с помощью провода высокого напряжения.

Конструктивно две двухвыводные катушки могут объединяться в единый блок, который носит собственное название –четырехвыводная катушка зажигания

Свеча зажигания важный конструктивный элемент системы зажигания. Она предназначена для непосредственного воспламенения топливно-воздушной смеси в бензиновом двигателе внутреннего сгорания. Воспламенение смеси происходит при прохождении искры между электродами свечи, поэтому другое ее название – искровая свеча зажигания. Свеча зажигания используется во всех типах системы зажигания: контактной, бесконтактной и электронной. Ведущими производителями свечей зажигания являются фирмы DensoNGKBoschChampion.

Устройство свечи зажигания

Свеча зажигания имеет следующее общее устройство:

  1.  контактный стержень;
  2.  центральный электрод;
  3.  изолятор;
  4.  корпус.

Контактный стержень обеспечивает соединение свечи зажигания с элементами системы зажигания – высоковольтным проводом или индивидуальной катушкой зажигания. Соединение может быть двух типов: фланцевое типа SAE или резьбовое М4. Наибольшее распространение получило соединение типа SAE.

Центральный электрод выполняет в свече зажигания, как правило, роль катода. Он изготавливается из легированной стали. Самый распространенный материал – хром–никелевый сплав. Диаметр центрального электрода определяется материалом, из которого он изготовлен, и может находится в пределе 0,4-2,5 мм.

В настоящее время центральный электрод изготавливается из двух металлов (биметаллический электрод) – медного сердечника и стальной оболочки. Стальная оболочка центрального электрода быстро нагревается, обеспечивая при этом быстрый и надежный пуск двигателя и устойчивую работу на начальном этапе. Медный сердечник интенсивно отводит тепло во время работы.

Для увеличения срока службы свечи (повышения устойчивости к коррозии, электрохимическому разрушению) центральный электрод на современных свечах зажигания изготавливается из сплавов стали с редкоземельными и благородными металлами (платина, иридий, вольфрам, иттрий, палладий). В зависимости от наличия тех или иных металлов в центральном электроде свечи имеют названия -платиновая свеча зажиганияиридиевая свеча зажигания.

Применение прочных и тугоплавких сплавов в конструкции центрального электрода позволило значительно сократить толщину наконечника центрального электрода. Например, иридиевый наконечник имеет толщину 0,4 мм, чем достигается значительное снижение напряжения искрообразования, повышение надежности воспламенения топливно-воздушной смеси.

Центральный электрод соединяется с контактным стержнем черезрезистор. Применение резистора обусловлено необходимостью защиты электронное оборудование двигателя от помех, возникающих при искрообразовании. Резистор представляет собой токопроводящую стекломассу, которой заливается промежуток между электродом и стержнем.

Контактный стержень и центральный электрод расположены визоляторе, выполняющем функции электрической изоляции и обеспечения заданного температурного режима свечи зажигания. Изолятор изготовляется из тугоплавкой керамики. Различают наружную и внутреннюю (размещенную в камере сгорания) части изолятора. Для улучшения электрической изоляции и предотвращения утечки электроэнергии наружная часть изолятора выполняется ребристой. На наружной части изолятора наносится название фирмы-производителя и (или) логотип.

Внутренняя часть изолятора (другое название - тепловой конус) определяет температурный (тепловой) режим свечи зажигания. Тепловой режим свечи зажигания характеризуется нижней и верхней границами. Нижняя граница начинается с температуры, при которой на тепловом конусе начинают сгорать скопившиеся частицы сажи, и называется температурой самоочищения. Величина температуры самоочищения составляет 450°С. Верхняя граница составляет 850°С. При данной температуре тепловой конус изолятора так сильно нагревается, что сам выступает источником воспламенения топливно-воздушной смеси. Такое неконтролируемое воспламенение смеси носит названиекалильное зажигание и может привести к детонации и серьезным поломкам двигателя.

Изменяя величину теплового конуса изолятора, производители свечей зажигания добиваются поддержания определенного температурного режима для разных бензиновых двигателей. Сильно выступающий тепловой конус и незначительная поверхность соприкосновения с корпусом характерны для т.н. «горячих» свечей зажигания. Такие свечи быстро нагреваются (большой конус) и медленно отводят тепло (малая поверхность соприкосновения с корпусом), поэтому их применение ограничено двигателями с низкой степенью сжатия и работающих на низкооктановом топливе.

«Холодные» свечи зажигания имеют короткий тепловой конус и значительную поверхность соприкосновения изолятора с корпусом. Они медленно нагреваются (малый конус) и быстро отводят тепло (большая поверхность соприкосновения с корпусом), поэтому применяются на двигателях с высокой степенью сжатия и работающих на высокооктановых топливах.

Металлический корпус служит для размещения всех элементов свечи зажигания, а также ввинчивание и удержания ее в головке блока цилиндров. Корпус изготавливается из никелевого сплава. Внутренней частью корпус соприкасается с изолятором. С наружи корпуса выполнена холоднокатаная метрическая резьба, с помощью которой свеча закрепляется в головке блока цилиндров. Уплотнение при завинчивании производится с помощью несъемной шайбы или конусного седла. Может применяться полая или гофрированная несъемная шайба. При завинчивании происходит раздавливание шайбы, чем достигается необходимое уплотнение.

Для завинчивания свечи зажигания в наружной части корпуса выполнен шестигранник под размер ключа. Затяжка свечи зажигания производиться с определенным усилием, рекомендованным производителем. Превышение усилия может привести к разрушению изолятора. Затяжка с недостаточным усилием приводит к нарушению герметичности камеры сгорания.

В нижней части корпуса приварен боковой электрод, который также изготавливается из никелевого сплава. В некоторых конструкциях свечей зажигания боковой электрод изготавливается из сплавов редкоземельных металлов. Для повышения срока службы свечи разработан ряд интересных конструктивных решений бокового электрода:

  1.  использование нескольких электродов (от двух до четырех);
  2.  V-образный вырез на конце бокового электрода;
  3.  коническая форма бокового электрода;
  4.  использование в качестве бокового электрода торцевой поверхности корпуса.

Применение нескольких боковых электродов значительно увеличивает срок службы свечи зажигания. В работе такой свечи используется только один боковой электрод. Когда зазор между электродами вследствие электрохимического износа увеличивается, искра автоматически переходит на другой боковой электрод и т. д.

Между центральным и боковым электродами поддерживается определенное расстояние - зазор (искровой промежуток). Величина зазора должна быть оптимальна для конкретной свечи зажигания и соответственно конкретного двигателя. На размер искрового промежутка оказывают влияние ряд факторов: размер и форма центрального электрода, конструкция бокового электрода, плотность топливно-воздушной смеси.

Чем больше зазор, тем больше искра, лучше воспламенение топливно-воздушной смеси. Вместе с тем, при большом зазоре требуется большее пробивное напряжение, и соответственно велика вероятность пропусков зажигания, снижения топливной экономичности, увеличения вредных выбросов. При малом зазоренаблюдается малая искра и соответственно низкая эффективность воспламенения топливно-воздушной смеси. При необходимости величину зазора можно изменить самостоятельно путем подгибания центрального электрода, но без соответствующей подготовки лучше этого не делать.

Характеристики свечи зажигания

Технические характеристики определяют область применения конкретной свечи зажигания на конкретном двигателе. К техническим характеристикам свечи зажигания относятся:

  1.  диаметр резьбы;
  2.  размер головки ключа;
  3.  длина резьбы;
  4.  зазор между электродами;
  5.  калильное число.

Диаметр автомобильных свечей зажигания составляет, как правило, 14 мм. По длине резьбы свечи делятся: короткая – 12 мм, средняя – 19-20 мм, длинная – 25 и более мм. Чем мощнее двигатель, тем длина резьбы должна быть больше. Наиболее распространенный размер головки под ключ – 16 мм, реже – 18, 21 мм. Величина зазора между электродами у разных свечей зажигания находится в пределе 0,5-2,0 мм.

Тепловая характеристика свечи зажигания выражается калильным числом. Калильное число – это отвлеченная величина, при достижении которой появляется калильное зажигание. Шкала калильных чисел у разных производителей существенным образом различается. У некоторых производителей шкала калильных чисел увеличивается от «горячих» свеч к «холодным», например у Denso 9-35, NGK 2-11,5. У Bosch все наоборот – увеличение от «холодных» к «горячим» (2-10). Свечи зажигания Champion шкалы как таковой не имеют.

Характеристики свечи зажигания отражаются в типовом обозначении - буквенно-цифровом коде, который может наноситься на свечу и обязательно отражается на упаковке. Типовые обозначения свечей различаются в зависимости от производителя, унифицированных обозначений нет. Для использования свечей зажигания разных производителей, существуют таблицы соответствия (взаимозаменяемости).

В зависимости от конструкции ресурс современных свечей зажигания составляет 30000-100000 км.

Система смазки (другое наименование смазочная система) предназначена для снижения трения между сопряженными деталями двигателя. Кроме выполнения основной функции система смазки обеспечивает:

  1.  охлаждение деталей двигателя;
  2.  удаление продуктов нагара и износа;
  3.  защиту деталей двигателя от коррозии.

Система смазки двигателя имеет следующее устройство:

  1.  поддон картера двигателя с маслозаборником;
  2.  масляный насос;
  3.  масляный фильтр;
  4.  масляный радиатор;
  5.  датчик давления масла;
  6.  редукционный клапан;
  7.  масляная магистраль и каналы.

Схема системы смазки

Поддон картера двигателя предназначен для хранения масла. Уровень масла в поддоне контролируется с помощью щупа, а также с помощью датчика уровня и температуры масла.

Масляный насос предназначен для закачивания масла в систему. Масляный насос может приводиться в действие от коленчатого вала двигателяраспределительного валаили дополнительного приводного вала. Наибольшее применение на двигателях нашли масляные насосы шестеренного типа.

Масляный фильтр служит для очистки масла от продуктов износа и нагара. Очистка масла происходит с помощью фильтрующего элемента, который заменяется вместе с заменой масла.

Для охлаждения моторного масла используется масляный радиатор. Охлаждение масла в радиаторе осуществляется потоком жидкости из системы охлаждения.

Давление масла в системе контролируется специальнымдатчиком, установленным в масляной магистрали. Электрический сигнал от датчика поступает к контрольной лампе на приборной панели. На автомобилях также может устанавливаться указатель давления масла.

Датчик давления масла может быть включен в систему управления двигателем, которая при опасном снижении давления масла отключает двигатель.

На современных двигателях устанавливается датчик контроля уровня масла и соответствующая ему сигнальная лампа на панели приборов. Наряду с этим, может устанавливаться датчик температуры масла.

Для поддержания постоянного рабочего давления в системе устанавливается один или несколько редукционных (перепускных) клапанов. Клапаны устанавливаются непосредственно в элементах системы: масляном насосе, масляном фильтре.

Принцип действия системы смазки

В современных двигателях применяется комбинированная система смазки, в которой часть деталей смазывается под давлением, а другая часть – разбрызгиванием или самотеком.

Смазка двигателя осуществляется циклически. При работе двигателя масляный насос закачивает масло в систему. Под давлением масло подается в масляный фильтр, где очищается от механических примесей. Затем по каналам масло поступает к коренным и шатунным шейкам (подшипникам) коленчатого вала, опорам распределительного вала, верхней опоре шатуна для смазки поршневого пальца.

На рабочую поверхность цилиндра масло подается через отверстия в нижней опоре шатуна или с помощью специальных форсунок.

Остальные части двигателя смазываются разбрызгиванием. Масло, которое вытекает через зазоры в соединениях, разбрызгивается движущимися частями кривошипно-шатунного и газораспределительного механизмов. При этом образуется масляный туман, который оседает на другие детали двигателя и смазывает их.

Под действием сил тяжести масло стекает в поддон и цикл смазки повторяется.

На некоторых спортивных автомобилях применяется система смазки с сухим картером. В данной конструкции масло храниться в специальном масляном баке, куда закачивается из картера двигателя насосом. Картер двигателя всегда остается без масла – «сухой картер». Применение данной конструкции обеспечивает стабильную работу системы смазки во всех режимах, независимо от положения маслозаборника и уровня масла в картере.

Система смазки с сухим картером (обиходное название – сухой картер) предназначена для обеспечения стабильной работысистемы смазки во всех положениях транспортного средства, в т.ч. при резких маневрах на большой скорости, больших наклонах автомобилях.

Благодаря этим качествам система смазки с сухим картером применяется на спортивных автомобилях, тракторах и некоторых автомобилях повышенной проходимости. Система предполагает хранение масла в отдельном баке и его закачку в этот бак отдельным насосом (секцией насоса). При этом масляный картер всегда остается без масла – т.н. сухой картер.

Преимуществами системы смазки с сухим картером являются:

  1.  отсутствие масляного голодания;
  2.  уменьшение размеров и снижение центра тяжести двигателя ввиду меньших размеров картера;
  3.  лучшее охлаждение масла;
  4.  некоторое увеличение мощности двигателя за счет снижения сопротивления масла коленчатому валу.

Вместе с тем, сухой картер усложняет конструкцию системы, увеличивает вес автомобиля, повышает расходы на обслуживание, и в итоге повышает стоимость автомобиля.

Система смазки с сухим катером, устанавливаемая на спортивные автомобили, имеет следующее общее устройство:

  1.  всасывающий модуль в поддоне;
  2.  масляный насос;
  3.  масляный термостат;
  4.  дополнительный масляный радиатор;
  5.  масляный бак;
  6.  датчик температуры и давления масла;
  7.  масляный радиатор;
  8.  масляный фильтр;
  9.  магистрали и трубопроводы.

Всасывающий модуль в поддоне обеспечивает прием стекающего масла из двигателя.

Масляный насос системы смазки с сухим картером выполняет следующие функции:

  1.  откачка масла из картера в масляный бак;
  2.  откачка масла из турбонагнетателя в масляный бак;
  3.  нагнетание масла из масляного бака в систему смазки.

Масляный насос выполнен в виде секций, при этом каждой функции соответствует как минимум одна секция насоса. Насос имеет привод от коленчатого вала двигателя.

Для лучшего охлаждения масла в системе смазки с сухим картером вместе с жидкостным масляным радиатором может устанавливатьсядополнительный воздушный масляный радиатор. Его работа регулируется с помощью масляного термостата, который на холодном двигателе направляет масло непосредственно в бак, а на прогретом до определенной температуры – через дополнительный радиатор.

Масляный бак помимо хранения масла обеспечивает гашение колебаний и уменьшение пенообразования. Для этого в баке имеется успокоитель. В масляный бак также встроена система вентиляции картера, размещены масляный щуп и датчик температуры и давления масла.

Помимо системы смазки с сухим картером на современных автомобилях применяются и другие технические решения, препятствующие масляному голоданию двигателя:

  1.  углубленный масляный поддон;
  2.  система дополнительных заслонок в масляном поддоне.

Углубленный масляный поддон обеспечивает надежный забор масла насосом при всех возможных наклонах автомобиля и используется на внедорожниках.

Система дополнительных заслонок представляет собой ряд заслонок, расположенных в картерном поддоне параллельно продольной оси автомобиля. Две заслонки с одной стороны, две – с другой. В нормальном положении заслонка закрыта (опущена вниз) и имеет возможность поворота вовнутрь поддона.

При движении автомобиля в повороте, масло стремиться к внешней стороне поддона. Две заслонки, обращенные к внешней стороне, закрыты и препятствуют движению масла. Две другие заслонки открываются, обеспечивая подачу дополнительной порции масла в зону всасывания. Таким образом, в зоне всасывания всегда находится необходимое количество масла.

Масляный насос предназначен для создания давления в системе смазки, и тем самым обеспечить смазку движущихся частейдвигателя внутреннего сгорания. В системе смазки с сухим картером масляный насос дополнительно выполняет функцию перекачки масла из картера двигателя в масляный бак.

Масляный насос приводится в действие от коленчатого вала или распределительного вала с помощью приводного вала.

По характеру управления масляные насосы разделяются на нерегулируемые и регулируемые. Нерегулируемые насосы поддерживают постоянное давление в системе смазки с помощью редукционного клапана. В регулируемых насосах постоянное давление поддерживается путем изменения производительности насоса.

В зависимости от конструкции различают масляные насосы:

  1.  шестеренного типа;
  2.  роторного типа.

Устройство масляного насоса шестеренного типа

Масляный насос шестеренного типа представляет собой две шестерни – ведущую и ведомую, размещенные в корпусе. Масло в насос поступает через всасывающий канал, захватывается шестернями и нагнетается в систему через нагнетательный канал. Производительность шестеренного насоса пропорциональна частоте вращения коленчатого вала. При превышении давления нагнетаемого масла определенной величины срабатывает редукционный клапан и перепускает часть масла во всасывающую полость или непосредственно в картер двигателя.

Различают два вида конструкций шестеренных насосов:

  1.  шестеренный насос с наружным зацеплением (шестерня около шестерни);
  2.  шестеренный насос с внутренним зацеплением (шестерня в шестерне).

При равной производительности шестеренный насос с внутренним зацеплением имеет меньшие габаритные размеры. Масляные насосы шестеренного типа являются нерегулируемыми.

Устройство масляного насоса роторного типа

Масляный насос роторного типаобъединяет два ротора – внутренний (ведущий) и внешний (ведомый), которые помещены в корпус. Масло всасывается в насос, захватывается лопастями роторов и нагнетается в систему. Также как в шестерном насосе, при необходимости срабатывает редукционный клапан. Указанную конструкцию имеет нерегулируемый роторный насос.

Устройство регулируемого масляного насоса роторного типа

Более совершенной конструкцией является регулируемый масляный насос роторного типа, который обеспечивает постоянное давление во всем диапазоне частоты вращения коленчатого вала.

Для реализации функции регулирования давления в конструкцию роторного насоса добавлен подвижный статорс регулировочной пружиной. Регулирование производится путем изменения объема полости между ведущим и ведомым роторами за счет поворота статора.

Применение регулируемого масляного насоса позволяет снизить:

  1.  величину отбираемой мощности от двигателя (в среднем на 30%);
  2.  износ масла благодаряменьшей оборачиваемости;
  3.  вспенивание масла.

Принцип работы регулируемого роторного насоса

При увеличении частоты вращения коленчатого вала двигателя увеличивается потребность в масле и соответственно происходит падение давления в системе. С падением давления регулировочная пружина сдвигает статор, который в свою очередь изменяет положение ведомого ротора. Соответственно увеличивается объем всасывающей полости и повышается производительность насоса.

При уменьшении частоты вращения коленчатого вала двигателя, уменьшается расход масла и повышается давление в системе. За счет повышения давления сжимается регулировочная пружина, которая перемещает статор и изменяет положение ведомого ротора. Это приводит к уменьшению объема всасывающей полости и снижению производительности насоса.

Система охлаждения предназначена для охлаждения деталей двигателя, нагреваемых в результате его работы. На современных автомобилях система охлаждения, помимо основной функции, выполняет ряд других функций, в том числе:

  1.  нагрев воздуха в системе отопления, вентиляции и кондиционирования;
  2.  охлаждение масла в системе смазки;
  3.  охлаждение отработавших газов в системе рециркуляции отработавших газов;
  4.  охлаждение воздуха в системе турбонаддува;
  5.  охлаждение рабочей жидкости в автоматической коробке передач.

В зависимости от способа охлаждения различают следующие виды систем охлаждения:

  1.  жидкостная (закрытого типа);
  2.  воздушная (открытого типа);
  3.  комбинированная.

В системе жидкостного охлаждения тепло от нагретых частей двигателя отводится потоком жидкости. Воздушная система для охлаждения использует поток воздуха. Комбинированная системаобъединяет жидкостную и воздушную системы.

На автомобилях наибольшее распространение получили система жидкостного охлаждения. Данная система обеспечивает равномерное и эффективное охлаждение, а также имеет меньший уровень шума. Поэтому, устройство и принцип действия системы охлаждения рассмотрены на примере системы жидкостного охлаждения.

Конструкция системы охлаждения бензинового и дизельного двигателей подобны. Система охлаждения двигателя имеет следующее общее устройство:

  1.  радиатор системы охлаждения;
  2.  масляный радиатор;
  3.  теплообменник отопителя;
  4.  расширительный бачок;
  5.  центробежный насос;
  6.  термостат;
  7.  вентилятор радиатора;
  8.  элементы управления;
  9.  «рубашка охлаждения» двигателя;
  10.  патрубки.

Схема системы охлаждения

Радиатор предназначен для охлаждения нагретой охлаждающей жидкости потоком воздуха. Для увеличения теплоотдачи радиатор имеет специальное трубчатое устройство.

Наряду с основным радиатором в системе охлаждения могут устанавливаться масляный радиатор и радиатор системы рециркуляции отработавших газов. Масляный радиатор служит для охлаждения масла в системе смазки.

Радиатор системы рециркуляции отработавших газовохлаждает отработавшие газы, чем достигается снижение температуры сгорания топливно-воздушной смеси и образования оксидов азота. Работу радиатора отработавших газов обеспечивает дополнительный насос циркуляции охлаждающей жидкости, включенный в систему охлаждения.

Теплообменник отопителя выполняет функцию, противоположную радиатору системы охлаждения. Теплообменник нагревает, проходящий через него, воздух. Для эффективной работы теплообменник отопителя устанавливается непосредственно у выхода нагретой охлаждающей жидкости из двигателя.

Для компенсации изменения объема охлаждающей жидкости вследствие температуры в системе устанавливаетсярасширительный бачок. Заполнение системы охлаждающей жидкостью обычно осуществляется через расширительный бачок.

Циркуляция охлаждающей жидкости в системе обеспечиваетсяцентробежным насосом. В обиходе центробежный насос называютпомпойЦентробежный насос может иметь различный привод: шестеренный, ременной и др. На некоторых двигателях, оборудованных турбонаддувом, для охлаждения наддувочного воздуха и турбокомпрессора устанавливается дополнительныйнасос циркуляции охлаждающей жидкости, подключаемый блоком управления двигателем.

Термостат предназначен для регулировки количества охлаждающей жидкости, проходящей через радиатор, чем обеспечивается оптимальный температурный режим в системе. Термостат устанавливается в патрубке между радиатором и «рубашкой охлаждения» двигателя.

На мощных двигателях устанавливается термостат с электрическим подогревом, который обеспечивает двухступенчатое регулирование температуры охлаждающей жидкости. Для этого в конструкции термостата предусмотрено три рабочих положения: закрытое, частично открытое и полностью открытое. При полной нагрузке на двигатель с помощью электрического подогрева термостата производится его полное открытие. При этом температура охлаждающей жидкости снижается до 90°С, уменьшается склонность двигателя к детонации. В остальных случаях температура охлаждающей жидкости поддерживается в пределах 105°С.

Вентилятор радиатора служит повышения интенсивности охлаждения жидкости в радиаторе. Вентилятор может иметь различный привод:

  1.  механический (постоянное соединение с коленчатым валом двигателя);
  2.  электрический (управляемый электродвигатель);
  3.  гидравлический (гидромуфта).

Наибольшее распространение получил электрический привод вентилятора, обеспечивающий широкие возможности для регулирования.

Типовыми элементами управления системы охлаждения являются датчик температуры охлаждающей жидкости, электронный блок управления и различные исполнительные устройства.

Датчик температуры охлаждающей жидкостификсирует значение контролируемого параметра и преобразует его в электрический сигнал. Для расширения функций системы охлаждения (охлаждения отработавших газов в системе рециркуляции отработавших газов, регулирования работы вентилятора и др.) на выходе радиатора устанавливается дополнительный датчик температуры охлаждающей жидкости.

Сигналы от датчика принимает электронный блок управления и преобразует их в управляющие воздействия на исполнительные устройства. Используется, как правило, блок управления двигателем с устанавленным соответствующим программным обеспечением.

В работе системы охлаждения могут использоваться следующие исполнительные устройства:

  1.  нагреватель термостата;
  2.  реле дополнительного насоса охлаждающей жидкости;
  3.  блок управления вентилятором радиатора;
  4.  реле охлаждения двигателя после остановки.

Принцип работы системы охлаждения

Работу системы охлаждения обеспечивает система управления двигателем. В современных двигателях алгоритм работы реализован на основе математической модели, которая учитывает различные параметры (температуру охлаждающей жидкости, температуру масла, наружную температуру и др.) и задает оптимальные условия включения и время работы конструктивных элементов.

Охлаждающая жидкость в системе имеет принудительную циркуляцию, которую обеспечивает центробежный насос. Движение жидкости осуществляется через «рубашку охлаждения» двигателя. При этом происходит охлаждение двигателя и нагрев охлаждающей жидкости. Направление движения жидкости в "рубашке охлаждения" может быть продольным (от первого цилиндра к последнему) или поперечным (от выпускного коллектора к впускному).

В зависимости от температуры жидкость циркулирует по малому или большому кругу. При запуске двигателя сам двигатель и охлаждающая жидкость в нем холодные. Для ускорения прогрева двигателя охлаждающая жидкость движется по малому кругу, минуя радиатор. Термостат при этом закрыт.

По мере нагрева охлаждающей жидкости термостат открывается, и охлаждающая жидкость движется по большому кругу – через радиатор. Нагретая жидкость проходит через радиатор, где охлаждается встречным потоком воздуха. При необходимости жидкость охлаждается потоком воздуха от вентилятора.

После охлаждения жидкость снова поступает в «рубашку охлаждения» двигателя. В ходе работы двигателя цикл движения охлаждающей жидкости многократно повторяется.

Нна автомобилях c турбонаддувом может применятьсядвухконтурная система охлаждения, в которой один контур отвечает за охлаждение двигателя, другой - за охлаждение наддувочного воздуха.

На некоторых моделях бензиновых двигателей с турбонаддувом применяется двухконтурная система охлаждения. Один контур обеспечивает охлаждение двигателя, другой - охлаждение наддувочного воздуха. Контуры охлаждения независимы друг от друга, но имеют соединение и используют общий расширительный бачок. Независимость контуров позволяет поддерживать различную температуру охлаждающей жидкости в каждом из них, разница температуры может достигать 100°С. Смешиваться потокам охлаждающей жидкости не дают два обратных клапана и дроссель.

Первый контур - система охлаждения двигателя

Стандартная система охлаждения поддерживает температурный режим двигателя в пределе 105°С. В отличие от стандартной, в двухконтурной системе охлаждения обеспечивается температура в головке блока цилиндров в пределе 87°С, в блоке цилиндров – 105°С. Это достигнуто за счет применения двух термостатов. По своей сути это двухконтурная система охлаждения.

Схема системы охлаждения двигателя

Так как в контуре головки блока цилиндров должна поддерживаться более низкая температура, то в нем циркулирует больший объем охлаждающей жидкости (порядка 2/3 от общего объема). Остальная охлаждающая жидкость циркулирует в контуре блока цилиндров.

Для обеспечения равномерного охлаждения головки блока цилиндров циркуляция охлаждающей жидкости в ней производится по направлению от выпускного коллектора к впускному. Такая схема работы называется поперечным охлаждением.

Высокая интенсивность охлаждения головки блока цилиндров сопровождается высоким давлением охлаждающей жидкости. Это давление вынужден преодолевать термостат при открытии. Для облегчения работы в конструкции системы охлаждения один из термостатов выполнен с двухступенчатым регулированием. Тарелка такого термостата состоит из двух взаимосвязанных частей: малой и большой тарелки. Вначале открывается малая тарелка, которая затем поднимает большую тарелку.

Управление работой системы охлаждения осуществляет система управления двигателем.

При запуске двигателя оба термостата закрыты. Обеспечивается быстрый прогрев двигателя. Охлаждающая жидкость циркулируетпо малому кругу контура головки блока цилиндров: от насоса через головку блока цилиндров, теплообменник отопителя, масляный радиатор и далее в расширительный бачек. Данный цикл осуществляется до достижения охлаждающей жидкостью температуры 87°С.

При температуре 87°С открывается термостат контура головки блока цилиндров и охлаждающая жидкость начинает циркулироватьпо большому кругу: от насоса через головку блока цилиндров, теплообменник отопителя, масляный радиатор, открытый термостат, радиатор и далее через расширительный бачек. Данный цикл осуществляется до достижения охлаждающей жидкостью в блоке цилиндров температуры 105°С.

При температуре 105°С открывается термостат контура блока цилиндров и в нем начинает циркулировать жидкость. При этом в контуре головки блока цилиндров всегда поддерживается температура на уровне 87°С.

Второй контур - система охлаждения наддувочного воздуха

Система охлаждения наддувочного воздуха представлена охладителем, радиатором, насосом, которые соединены трубопроводами. В систему охлаждения также включен корпус подшипников турбокомпрессора.

Схема системы охлаждения наддувочного воздуха

Циркуляция охлаждающей жидкости в контуре осуществляется с помощью отдельного насоса, который включается при необходимости по сигналу блока управления двигателем. Жидкость, проходя через охладитель, забирает тепло наддувочного воздуха и далее охлаждается в радиаторе

Вентилятор радиатора служит для улучшения охлаждения охлаждающей жидкости, за счет увеличения скорости и количества воздуха, проходящего через радиатор. Вентилятор устанавливается, как правило, между радиатором и двигателем в специальном кожухе.

Конструктивно вентилятор радиатора объединяет четыре и более лопасти, расположенные на общем шкиве. Для увеличения подачи воздуха лопасти устанавливаются под углом к плоскости вращения.

Вентилятор радиатора может иметь различные виды привода:

  1.  механический;
  2.  гидромеханический;
  3.  электрический.

Механический привод вентиляторапредставляет собой постоянный привод от коленчатого валапосредством ременной передачи. Недостатком данного привода являются существенные затраты мощности двигателя на вращение вентилятора. Поэтому в настоящее время механический привод вентилятора почти не применяется.

Гидромеханический привод вентилятора может быть представлен вязкостной муфтой или гидравлической муфтой.Вязкостная муфта имеет постоянный привод от коленчатого вала. Блокировка муфты от частичной до полной производится с увеличением температуры силиконовой жидкости, заполняющей муфту. Увеличение температуры является следствием повышения частоты вращения коленчатого вала и нагрузки на двигатель. Блокировка муфты приводит к вращению вентилятора.Гидравлическая муфта в отличие от вязкостной муфты блокируется за счет изменения количества масла в муфте.

Самым распространенным является электрический привод вентилятора радиатора. Привод включает электродвигатель и систему управления. Электродвигатель запитан от бортовой сети автомобиля. Система управления обеспечивает работу вентилятора в зависимости от температуры двигателя.

На некоторых автомобилях реализована функция управляемого выбега вентилятора – автоматическое включение вентилятора после остановки двигателя. Выбег вентилятора производится с целью лучшего охлаждения двигателя в зависимости от режима его работы перед остановкой.

Типовая схема управления вентилятором с электрическим приводом включает:

  1.  датчик температуры охлаждающей жидкости;
  2.  электронный блок управления двигателем;
  3.  реле включения вентилятора;
  4.  электродвигатель (в качестве исполнительного устройства).

Датчик фиксирует температуру охлаждающей жидкости в двигателе. На современных автомобилях могут устанавливаться два датчика: один на выходе из двигателя, другой – на выходе из радиатора. Управление вентилятором в данном случае производится на основании оценки разница показаний датчиков.

При управлении вентилятором используются другие входные устройства: датчик частоты вращения коленчатого вала,расходомер воздуха. Их показания учитываются при определении режима работы двигателя.

Сигналы от датчиков передаются в электронный блок управления двигателем, который их обрабатывает и при необходимости активирует реле включения вентилятора. Вентилятор начинает работать.

На автомобилях, оборудованных климатической установкой или тягово-сцепным устройством, устанавливается, как правило, два вентилятора, каждого из которых обслуживает свое реле включения. В зависимости от температуры вентиляторы могут работать как раздельно, так и вместе.

В последнее время вместо реле включения вентилятора используется блок управления вентилятором, который обеспечивает эффективную и экономичную работу вентилятора.

Насос охлаждающей жидкости обеспечивает принудительную циркуляцию охлаждающей жидкости в системе охлаждения. В некоторых источниках информации насос охлаждающей жидкости называют водяным насосом, что по своей сути неверно. Вода в качестве охлаждающей жидкости уже давно не используется.

Насос устанавливается, как правило, в передней части двигателя и может иметь два вида привода: механический и электрический.Механический привод производится от коленчатого или распределительного вала двигателя с помощью ременной передачи.Электрический привод предполагает установку электродвигателя с системой управления.

В качестве насоса охлаждающей жидкости используются насосы центробежного типа. В зависимости от марки двигателя насосы могут значительно отличиться, вместе с тем можно выделить следующее общее устройство насоса охлаждающей жидкости:

  1.  корпус;
  2.  рабочее колесо;
  3.  вал со шкивом.

Корпус насоса изготавливается из чугуна или литого алюминия. В корпусе выполнены каналы для подвода и отвода охлаждающей жидкости к рабочему колесу. Между корпусом насоса и блоком цилиндров двигателя устанавливается уплотнительная прокладка, предохраняющая от утечки охлаждающей жидкости из насоса.

Рабочее колесо (обиходное название – крыльчатка) непосредственно обеспечивает циркуляцию охлаждающей жидкости. Оно выполнено в виде лопастей специальной формы. Рабочее колесо монтируется на приводном валу. Вал расположен в корпусе на подшипниках. С противоположной стороны вала установлен приводной шкив.

Работа насоса охлаждающей жидкости осуществляется следующим образом. При вращении рабочего колеса на входе насоса создается разряжение, за счет которого охлаждающая жидкость из радиатора поступает в насос. Жидкость подается в центральную часть насоса, перемещается по лопастям и выбрасывается центробежной силой на выход из насоса и далее в рубашку охлаждения блока цилиндров.

В системе охлаждения может устанавливаться два насоса охлаждающей жидкости – основной и дополнительный. В зависимости от конструкции двигателя дополнительный насосвыполняет одну из функций:

  1.  дополнительное охлаждение двигателя (эксплуатация в странах с жарким климатом);
  2.  обеспечение работы автономного отопителя, включенного в систему охлаждения двигателя;
  3.  охлаждение отработавших газов в системе рециркуляции отработавших газов;
  4.  охлаждение турбонагнетателя на двигателях с турбонаддувом;
  5.  прокачка охлаждающей жидкости после выключения двигателя (для предотвращения перегрева двигателя после остановки).

Дополнительный насос охлаждающей жидкости имеет, как правило, электрический привод. Насос включен в систему управления двигателем и при необходимости включается (выключается) по сигналу электронного блока.

На некоторых двигателях концерна Volkswagen устанавливаетсяотключаемый насос охлаждающей жидкости. Отключаемый насос обеспечивает быстрый прогрев двигателя при запуске за счет отключения подачи охлаждающей жидкости до достижения температуры 30°С. При этом охлаждающая жидкость постоянно находится в двигателе и прогревается значительно быстрее. Помимо прогрева, применение отключаемого насоса приводит к снижению расхода топлива.

Схема отключаемого насоса охлаждающей жидкости

Прекращение подачи охлаждающей жидкости производится с помощью кольцевой диафрагмы (заслонки), которая перекрывает путь жидкости, крыльчатка при этом продолжает вращаться. Диафрагма рычагами соединена смембраной, которая перемещается под действием разряжения. Полость перед диафрагмой соединена магистралью с источником разряжения - впускным коллектором.

Вакуумный канал перекрывает регулировочный клапан, включенный в систему управления двигателем. При его открытии мембрана под действием разряжения перемещается, дезактивируется рабочее колесо насоса. При закрытии клапана мембрана под действием пружины возвращается на место, а диафрагма освобождает крыльчатку. Насос начинает работать.

Термостат используется в системе охлаждения двигателя для управления потоком охлаждающей жидкости между двигателем и радиатором. В результате его работы обеспечивается быстрый прогрев двигателя при запуске и поддержание оптимального температурного режима на всех режимах работы. Термостат в системе охлаждения двигателя применяется с 1922 года.

Местоположение термостата определяется типом и моделью двигателя, а также конструкцией системы охлаждения. Термостат, в большинстве своем, расположен на выходе из головки блока цилиндров или на входе насоса охлаждающей жидкости. На современных двигателях устанавливается термостат с твердым наполнителем. Под термином«твердый наполнитель» понимается физическое состояние термоэлемента термостата.

Конструктивно термостат представляет собой термочувствительный клапан, размещенный в латунной рамке. Клапан включает тарелку, насаженную на корпус. Корпус исполняет роль цилиндра, в который вставлен шток. Шток одним концом упирается в верхнюю рамку термостата, другим – в резиновую полость в корпусе. Между корпусом и резиновой полостью размещен термочувствительный элемент, состоящий из смеси гранулированного воска и меди.

Устройство термостата

При запуске двигателя термостат закрыт. Охлаждающая жидкость, выходя из блока цилиндров и снова туда возвращается, чем обеспечивается быстрый прогрев двигателя. Нагрев охлаждающей жидкости до температуры 80-90°С приводит к началу открытия термостата. При данной температуре термоэлемент расплавляется и увеличивается в объеме. Увеличение объема термоэлемента сопровождается перемещением корпуса термостата по штоку (шток перемещаться не может, т.к. закреплен на верхней рамке). Тарелка клапана, преодолевая усилие возвратной пружины, начинает открываться. Часть охлаждающей жидкости начинает циркулировать через радиатор и там охлаждаться.

При дальнейшем увеличении температуры охлаждающей жидкости термостат все больше открывается, и, соответственно, все больше жидкости проходит через радиатор. Термостат полностью открыт при температуре порядка 95-105°С. При различных режимах работы двигателя происходит постоянное изменение величины открытия термостата, чем достигается поддержание оптимальной температуры.

На двигателях устанавливаются различные виды термостатов, среди которых можно выделить:

  1.  одноклапанный термостат;
  2.  двухступенчатый термостат;
  3.  двухклапанный термостат;
  4.  термостат с электронным управлением.

Одноклапанный термостат имеет самое простое устройство. Все, что было сказано выше про термостат, относится именно к одноклапанному термостату. Данный вид конструкции термостата наиболее популярен у зарубежных автопроизводителей.

Разновидностью одноклапанного термостата являетсядвухступенчатый термостат. В некоторых системах охлаждения создается высокое давление охлаждающей жидкости, которое клапану термостата достаточно сложно преодолеть. Для таких случаев разработана конструкция термостата, у которой клапан состоит из двух тарелок – малой и большой. Сначала открывается малая тарелка, т.к. для преодоления давления ей требуется меньше усилий. При открытии малая тарелка тянет за собой большую тарелку, которая в свою очередь полностью открывает проход для охлаждающей жидкости.

Двухклапанный термостат имеет два клапана (две тарелки), расположенные на одном корпусе. Первый (основной) клапан запирает большой круг охлаждающей жидкости. Второй (перепускной) клапан управляет малым кругом. Клапаны работают совместно – когда один запирает, другой открывает соответствующий контур. Данная конструкция термостата популярна на отечественных легковых и грузовых автомобилях.

Самым продвинутым является термостат с электронным управлением, который обеспечивает разные температурные режимы для разных режимов работы двигателя. Конструктивно это обычный одноклапанный термостат, в термоэлемент которого добавлено нагревательное сопротивление. Управление нагревом сопротивления осуществляется блоком управления двигателем. Данная конструкция термостата позволяет реализовать температурный режим 95-110°С при частичной нагрузке двигателя и 85-95°С при полной нагрузке. Эффект от применения электронного термостата заключается в снижении расхода топлива, а также некоторого увеличения мощности за счет более интенсивного охлаждения всасываемого воздуха.

На некоторых двигателях устанавливается два термостата, например в двухконтурной системе охлаждения. Один термостат отвечает за контур головки блока цилиндров и поддерживает в нем температуру 87°С. Другой термостат установлен в контуре блока цилиндров. Рабочая температура там выше – 105°С. Данная схема системы охлаждения используется на прогрессивных двигателях TSI и позволяет добиться определенного увеличения мощности за счет дополнительного охлаждения воздуха.

Предпусковым подогревателем называется устройство, предназначенное для облегчения запуска двигателя в холодных условиях. Как правило, термином «предпусковой подогреватель» называют подогреватели охлаждающей жидкости в системе охлаждения. Вместе с тем, предпусковой подогрев двигателя обеспечивают и другие устройства: свечи накаливания,подогреватели дизельного топливаподогреватели масла. Предпусковой подогреватель устанавливается на автомобили в качестве опции или отдельно.

В зависимости от способа создания тепловой энергии различают три вида предпусковых подогревателей:

  1.  топливный подогреватель;
  2.  электрический подогреватель;
  3.  тепловой аккумулятор.

Топливный подогреватель

Наибольшее применение на отечественных легковых и грузовых автомобилях нашли топливные подогреватели, использующие для подогрева охлаждающей жидкости энергию сгорания топлива (бензин, дизельное топливо, газ). Основное преимущество топливных подогревателей автономность, т.к. они используют источник энергии, находящийся на автомобиле. Поэтому другое название таких подогревателей – автономные подогреватели.

Топливный подогреватель встраивается в штатные систему охлаждения, топливную систему и выпускную систему. Топливный обогреватель, как правило, выполняет две функции:

  1.  подогрев охлаждающей жидкости,
  2.  подогрев воздуха и обогрев салона.

Имеются автономные подогреватели, осуществляющие только обогрев салона, т.н. воздушные отопители.

Схема предпускового подогревателя

Конструктивно топливный обогреватель объединяет нагревательный (теплообразующий) модуль и систему управления.

Нагревательный модуль включает топливный насос, сопло, свечу накаливания, камеру сгорания, теплообменник, вентилятор. Насос обеспечивает подачу топлива в подогреватель, где оно распрыскивается, смешивается с воздухом и воспламеняется от свечи накаливания. Тепловая энергия сгорающей смеси через теплообменник нагревает охлаждающую жидкость. Продукты сгорания отводятся в выпускную систему с помощью вентилятора.

Охлаждающая жидкость циркулирует по малому кругу системы охлаждения естественным путем (снизу вверх) илипринудительно (водяной насос). После того, как охлаждающая жидкость достигнет заданной температуры, реле включает вентилятор системы отопления и кондиционирования и происходит обогрев салона автомобиля. При достижении максимальной температуры подогреватель выключается.

В разных конструкциях топливных подогревателей управление его работой может осуществляться непосредственно с помощью кнопки включения, таймера включения, пульта дистанционного управления, GSM-модуля, обеспечивающего запуск подогревателя по мобильному телефону.

Ведущими производителями топливных подогревателей являютсяWebasto (модель TermoTop), Eberspacher (модель Hydronic),Теплостар (модель Бинар).

Электрический подогреватель

Электрические подогреватели используют для подогрева охлаждающей жидкости электрическую энергию внешней сети переменного тока. Наибольшее применение электрические подогреватели нашли в северных европейских странах, вместе с тем, и в нашей стране они применяются достаточно часто.

Основными преимуществами электрических подогревателей являются отсутствие вредных выбросов при работе, бесшумность, низкая цена, быстрота нагрева жидкости, ведь по сути это электрический кипятильник.

Электрический подогреватель устанавливается непосредственно в рубашке охлаждения блока цилиндров или в одном из патрубков системы охлаждения.

Типовыми функциями электрического подогревателя являются:

  1.  подогрев охлаждающей жидкости;
  2.  подогрев воздуха и обогрев салона;
  3.  зарядка аккумуляторной батареи.

Электрический подогреватель имеет следующее устройство:

  1.  электрический нагревательный элемент мощностью до 3 квт;
  2.  электронный блок управления;
  3.  модуль подзарядки аккумуляторной батареи.

Принцип работы электрического подогревателя аналогичен топливному подогревателю. Основное отличие в способе подогрева охлаждающей жидкости. Электрический подогреватель также обеспечивает подзарядку аккумуляторной батареи, что является актуальным при эксплуатации автомобиля в условиях низких температур воздуха.

Ведущими производителями электрических подогревателей являются фирмы Defa (модель WarmUp), Лидер (модель Северс).

Тепловой аккумулятор

Тепловой аккумулятор являются самым редким видом предпускового подогревателя, несмотря на то, что имеет высокую эффективность. Наряду с названием тепловой аккумулятор, уместно другое наименование – система аккумулирования тепловой энергии охлаждающей жидкости.

Система аккумулирования тепловой энергии выполняет следующие функции:

  1.  накопление тепловой энергии;
  2.  хранение тепловой энергии;
  3.  использование энергии для подогрева охлаждающей жидкости;
  4.  использование энергии для подогрева воздуха и отопления салона.

Конструкция данной системы включает:

  1.  тепловой аккумулятор;
  2.  насос охлаждающей жидкости;
  3.  гидрораспределитель;
  4.  блок управления.

Тепловой аккумулятор как элемент системы аккумулирования тепловой энергии служит для хранения нагретой охлаждающей жидкости. Он представляет собой металлический цилиндр с вакуумной изоляцией. Насос обеспечивает зарядку теплового аккумулятора нагретой охлаждающей жидкостью и его разрядку при запуске двигателя. Зарядка аккумулятора осуществляется автоматически по сигналу блока управления и периодически повторяется во время движения.

Разряд аккумулятора производится с нажатием соответствующей кнопки, при этом включается насос и горячая жидкость нагнетается в контур малого круга системы охлаждения. Гидрораспределитель регулирует потоки охлаждающей жидкости между двигателем и отопителем салона.

Выпускная система (другое наименование - система выпуска отработавших газов, выхлопная система) предназначена для отвода отработавших газов из цилиндров двигателя, их охлаждения, а также снижения шума и токсичности.

Система выпуска отработавших газов имеет следующее общее устройство:

  1.  выпускной коллектор;
  2.  приемная труба глушителя;
  3.  виброизолирующая муфта;
  4.  каталитический нейтрализатор;
  5.  сажевый фильтр;
  6.  кислородный датчик;
  7.  предварительный глушитель;
  8.  основной глушитель;
  9.  соединительные трубы.

Схема выпускной системы

Все конструктивные элементы выпускной системы расположены под днищем автомобиля.

Выпускной коллектор обеспечивает непосредственный отвод отработавших газов, а также продув цилиндров двигателя. Форма и размеры выпускного коллектора определяют характер колебательного процесса отработавших газов в выпускной системе, и в итоге влияют на мощность и крутящий момент двигателя. Колебательный процесс отработавших газов в выпускной системе должен быть согласован с колебательным процессом топливно-воздушной смеси в впускной системе.

На выпускной коллектор приходится самая большая температурная нагрузка, поэтому он изготавливается, как правило, из жаропрочного чугуна. К выпускному коллектору крепитьсяприемная труба глушителя.

Для изоляции конструктивных элементов выпускной системы от вибрации двигателя используется виброизолирующая муфта(обиходное название - сильфон). Сильфон представляет собой гибкий металлический шланг, закрытый стальной оболочкой.

Каталитический нейтрализатор предназначен для уменьшения концентрации вредных веществ в отработавших газах. В обиходе каталитический нейтрализатор называют катализатором. Разные модели автомобилей различаются конструкцией и расположением каталитических нейтрализаторов. На современных автомобилях применяются трехкомпонентные каталитические нейтрализаторы, защищающие от трех вредных веществ - несгоревших углеводородов, оксида углерода и оксида азота.

На дизельных двигателях применяется сажевый фильтр, который обеспечивает снижение выброса сажи в атмосферу с отработавшими газами. В выпускной системе сажевый фильтр может быть объединен с каталитическим нейтрализатором.

В современном автомобиле помимо выпускной системы применяются и другие экологические системы, среди которых:

  1.  система вентиляции картера;
  2.  система рециркуляции отработавших газов;
  3.  система улавливания паров бензина.

Кислородный датчик служит для управления составом топливно-воздушной смеси двигателя за счет измерения кислорода в отработавших газах. Кислородный датчик хоть и устанавливается в выпускной системе, является конструктивным элементом системы управления двигателем.

В современных системах управления устанавливается два кислородных датчика – один перед каталитическим нейтрализатором, другой – за ним. Помимо кислородного датчика в выпускном тракте могут устанавливаться другие входные устройства: датчик температуры отработавших газов, датчик оксидов азота.

Глушитель, как следует из названия, предназначен для снижения уровня шума и преобразования энергии отработавших газов. Глушитель состоит из нескольких частей. В большинстве своем глушитель включает два элемента - предварительный глушитель (резонатор) и основной глушитель. Снижение шума в глушителе происходит за счет наложения звуковых волн, многократного изменения направления и величины потока отработавших газов, а также их поглощения.

На спортивных автомобилях, а также при тюнинге автомобиля устанавливаются так называемые прямоточные глушители, обеспечивающие прирост мощности двигателя.

Выпускной коллектор – конструктивный элемент выпускной системы, предназначенный для отвода отработавших газов от отдельных цилиндров в общую трубу. Другой функцией выпускного коллектора является обеспечение эффективного продува и наполнения камер сгорания.

Выпускной коллектор жестко закреплен на головке блока цилиндров. На выходе к нему присоединяется каталитический нейтрализатор или выпускная труба. Между выпускным коллектором и головкой блока цилиндров размещена прокладка, которая предотвращает утечку отработавших газов в подкапотное пространство. Выпускной коллектор работает в очень тяжелых условиях, характеризующихся высокой температурой (до 1300°С) и давлением.

Различают два типа выпускных коллекторов – цельный и трубчатый. Цельный коллектор имеет короткие каналы, которые объединяются в общую камеру. Изготавливается из жаропрочного чугуна. Цельный выпускной коллектор имеет низкую эффективность отвода отработавших газов и продувки камеры сгорания, т.к. короткие каналы создают препятствия в виде импульсов газов каждого цилиндра. С другой стороны цельный выпускной коллектор прост в изготовлении и имеет невысокую стоимость.

На современные легковые автомобили устанавливаются в основном трубчатые выпускные коллекторы, которые эффективны в диапазоне средних и высоких оборотов, улучшают мощностные характеристики двигателя. Трубчатые выпускные коллекторы изготавливаются из нержавеющей стали, реже из керамики. Для достижения наилучших параметров отвода отработавших газов и продува камер сгорания длина, диаметр труб и их конструкция (форма) должны быть оптимизированы.

Движение отработавших газов в выпускной системе представляет собой колебательный процесс. Короткая труба выпускного коллектора позволяет достигать резонансный эффект, при котором происходит наилучшая продувка камер сгорания, на высоких оборотах двигателя. С длинной трубой наоборот, резонансный эффект достигается в области низких оборотов. При этом длинные трубы предотвращают возврат отработавших газов в соседние камеры сгорания, в которых еще не закрылись выпускные клапаны.

Малый диаметр трубы обеспечивает высокую скорость отработавших газов, при которой происходит лучшая инерционная продувка камеры сгорания и достигается номинальный крутящий момент на низких и средних оборотах. С другой стороны трубы малого диаметра создают дополнительное сопротивление потоку при высоких оборотах двигателя. С помощью трубы большого диаметра получают прирост мощности на высоких оборотах и снижение на низких.

В настоящее время распространены две схемы трубчатых выпускных коллекторов:

  1.  4-1 или короткий коллектор (четыре трубы соединены в одну трубу);
  2.  4-2-1 или длинный коллектор (четыре трубы соединены попарно и далее соединены в одну трубу).

Трубчатый выпускной коллектор является важным элементом тюнинга автомобиля. Для одной машины может быть предложено несколько конструкций выпускных коллекторов и, соответственно, достигнут различный эффект. Короткий коллектор дает добавочную мощность в узком диапазоне оборотов. Длинный коллектор более универсальный, так как обеспечивает прирост мощности и крутящего момента в широком диапазоне оборотов двигателя.

К примеру, выпускной коллектор по схеме 4-2-1 применен на бензиновых двигателях, которые устанавливаются на автомобилях Mazda по технологии SkyActiv-G. Помимо прироста мощности, в данных двигателях реализована более высокая степень сжатия, а за счет улучшенной вентиляции цилиндров детонация в цилиндрах не наступает.

Во время работы двигателя выпускной коллектор нагревает воздух в подкапотном пространстве, соответственно нагревается воздух во впускной системе и снижается мощность. Для противодействия данному явлению производится теплоизоляция впускного коллектора. Различают различные способы теплоизоляции: установка теплоотражающего щитка, устройство высокотемпературной оплетки труб, выполнение коллектора с двойными стенками.

Выпускная система современных автомобилей включает каталитический нейтрализатор. Каталитический нейтрализатор(обиходное название – катализатор) предназначен для снижения выброса вредных веществ в атмосферу с отработавшими газами.

Каталитический нейтрализатор применяется как на бензиновых, так и на дизельных двигателях. Нейтрализатор обычно устанавливается непосредственно за выпускным коллектором или перед глушителем.

Каталитический нейтрализатор имеет следующее устройство:

  1.  блок-носитель;
  2.  теплоизоляция;
  3.  корпус.

Основным элементом каталитического нейтрализатора является блок-носитель, который служит основанием для катализаторов. Блок-носитель изготавливается из специальной огнеупорной керамики. Конструктивно блок-носитель состоит из множества продольных сот-ячеек, которые значительно увеличивают площадь соприкосновения с отработавшими газами.

На поверхность сот-ячеек тонким слоем наносятся вещества-катализаторы. В качестве таких веществ используются платина, палладий и родий. Катализаторы ускоряют протекание химических реакций в нейтрализаторе.

Платина и палладий относятся к окислительным катализаторам. Они способствуют окислению несгоревших углеводородов (СН) в водяной пар, оксида углерода (угарный газ, СО) в углекислый газ.

Родий является восстановительным катализатором. Он восстанавливает оксиды азота (NOx) в безвредный азот.

Таким образом, три катализатора снижают содержание в отработавших газах трех вредных веществ. Такой нейтрализатор называется трехкомпонентным каталитическим нейтрализатором.

Блок-носитель помещается в металлический корпус. Между ними обычно располагается слой теплоизоляции. В корпусе нейтрализатора устанавливается кислородный датчик.

Условием эффективной работы каталитического нейтрализатора является температура 300°С. При такой температуре задерживается порядка 90% вредных веществ. С целью быстрого прогрева нейтрализатора при запуске двигателя осуществляются следующие мероприятия:

  1.  установка нейтрализатора непосредственно за выпускным коллектором;
  2.  повышение температуры выхлопных газов за счет обогащения топливно-воздушной смеси

На легковых автомобилях с дизельным двигателем в составе выпускной системы с 2000 года применяется сажевый фильтр. С введением норм Евро-5 в январе 2011 года применение сажевого фильтра на легковых автомобилях с дизельным двигателем является обязательным.

Дизельный сажевый фильтр (в английском варианте Diesel Particulare Filter, DPF, в французском варианте Filtre a Particules, FAP, в немецком варианте RubPartikelFilter, RPF) предназначен для снижения выброса сажевых частиц в атмосферу с отработавшими газами. Применения фильтра позволяет добиться снижения частиц сажи в отработавших газах до 99,9 %.

В дизельном двигателе сажа образуется при неполном сгорании топлива. Частицы сажи имеют размер от 10 нм до 1 мкм. Каждая частица состоит из углеродного ядра, с которым соединены углеводороды, оксиды металлов, сера и вода. Конкретный состав сажи определяется режимом работы двигателя и составом топлива.

В выпускной системе сажевый фильтр располагается закаталитическим нейтрализатором. В ряде конструкций сажевый фильтр объединен с каталитическим нейтрализатором окислительного типа и располагается сразу за выпускным коллектором там, где температура отработавших газов максимальна. Он называется сажевый фильтр с каталитическим покрытием.

Основным конструктивным элементом сажевого фильтра является матрица, которая изготавливается из керамики (карбида кремния). Матрица помещена в металлический корпус. Керамическая матрица имеет ячеистую структуру, состоящую из каналов малого сечения, попеременно закрытых с одной и с другой стороны. Боковые стенки каналов имеют пористую структуру и играют роль фильтра.

В сечении ячейки матрицы имеют квадратную форму. Более совершенными являются входные ячейки восьмиугольной формы. Они имеют большую площадь поверхности (по сравнению с выходными ячейками), пропускают больше отработавших газов и обеспечивают больший срок службы сажевого фильтра.

В работе сажевого фильтра различается два последовательных этапа: фильтрация и регенерация сажи. При фильтрации происходит захват частиц сажи и оседание их на стенках фильтра. Наибольшую сложность для задержания представляют частицы сажи малого размера (от 0,1 до 1 мкм). Их доля невелика (до 5%), но это самые опасные для человека выбросы. Современные сажевые фильтры задерживают и эти частицы.

Скопившиеся при фильтрации частицы сажи создают препятствие для отработавших газов, что приводит к снижению мощности двигателя. Поэтому периодически требуется очистка фильтра от накопившейся сажи или регенерация. Различают пассивную и активную регенерацию сажевого фильтра. В современных фильтрах используется, как правило, пассивная и активная регенерация.

Пассивная регенерация сажевого фильтра осуществляется за счет высокой температуры отработавших газов (порядка 600°С), которая достигается при работе двигателя с максимальной нагрузкой. Другим способом пассивной регенерации является добавление в топливо специальных присадок, которые обеспечивают сгорание сажи при более низкой температуре (450-500°С).

При определенных режимах работы двигателя (небольшая нагрузка, движение в городе и др.) наблюдается недостаточно высокая температура отработавших газов и пассивная регенерация происходить не может. В этом случае осуществляется активная (принудительная) регенерация сажевого фильтра.

Активная регенерация сажевого фильтра производится путем принудительного повышения температуры отработавших газов в течение определенного промежутка времени. Накопленная при этом сажа окисляется (сгорает). Различают несколько способов увеличения температуры отработавших газов при активной регенерации:

  1.  поздний впрыск топлива;
  2.  дополнительный впрыск топлива на такте выпуска;
  3.  использование электрического нагревателя перед сажевым фильтром;
  4.  впрыск порции топлива непосредственно перед сажевым фильтром;
  5.  нагрев отработавших газов микроволнами.

Конструкция сажевого фильтра и систем, обеспечивающих его работу, постоянно совершенствуется. В настоящее время наиболее востребован сажевый фильтр с каталитическим покрытием и сажевый фильтр с системой ввода присадок в топливо.

Сажевый фильтр с каталитическим покрытием

Сажевый фильтр с каталитическим покрытием применяется на автомобилях концерна Volkswagen и ряда других производителей. В работе сажевого фильтра с каталитическим покрытием различают активную и пассивную регенерацию.

При пассивной регенерации происходит непрерывное окисление сажи за счет действия катализатора (платины) и высокой температуры отработавших газов (350-500°С). Цепочка химических преобразований при пассивной регенерации имеет следующий вид:

  1.  оксиды азота вступают в реакцию с кислородом в присутствии катализатора с образованием диоксида азота;
  2.  диоксид азота вступает в реакцию с частицами сажи (углеродом) с образованием оксида азота и угарного газа;
  3.  оксид азота и угарный газ вступают в реакцию с кислородом с образованием диоксида азота и углекислого газа.

Схема сажевого фильтра с каталитическим покрытием

Активная регенерация происходит при температуре 600-650°С, которая создается при помощи системы управления дизелем. Необходимость активной регенерации определяется на основании оценки пропускной способности сажевого фильтра, которая осуществляется с помощью следующих датчиков системы управления дизелем: расходомер воздуха; датчик температуры отработавших газов до сажевого фильтра; датчик температуры отработавших газов после сажевого фильтра; датчик перепада давления в сажевом фильтре.

На основании электрических сигналов датчиков электронный блок управления производит дополнительный впрыск топлива в камеру сгорания, а также снижает подачу воздуха в двигатель и прекращает рециркуляцию отработавших газов. При этом температура отработавших газов поднимается до требуемой для рециркуляции величины.

Сажевый фильтр с системой ввода присадок в топливо

Сажевый фильтр с системой ввода присадок в топливо является разработкой концерна PSA (Peuqeot-Citroen). Так как первопроходцами использования присадок для регенерации являются французы, за фильтром закрепилось название FAP-фильтр (от французского Filtre a Particules). Аналогичный подход реализован в сажевых фильтрах других автопроизводителей (Ford, Toyota).

В системе используется содержащая церий присадка, которая добавляется в топливо и обеспечивает сжигание сажи при более низкой температуре (450-500°С). Но и эта температура отработавших газов не всегда может быть достигнута, поэтому в системе периодически выполняется активная регенерация сажевого фильтра. Сажевый фильтр устанавливается, как правило, отдельно за каталитическим нейтрализатором.

Схема сажевого фильтра с системой ввода присадок в топливо

Присадка хранится в отдельном бачке, емкостью 3-5 л, которой хватает на 80-120 тыс. км пробега (срок службы фильтра). Конструктивно бачок может находиться в топливном баке или вне его. Уровень присадки в бачке контролируется с помощью датчика поплавкового типа. В топливный бак присадка подается с помощью электрического насоса. Подача присадки осуществляется при каждой заправке топливного бака пропорционально заправляемому объему топлива. Начало и продолжительность подачи присадки регулируется блоком управления двигателем (в некоторых конструкциях отдельным электронным блоком).

Побочным эффектом применения присадки является то, что при сгорании она оседает в виде золы на стенки фильтра и не выводится из него, что сокращает ресурс устройства. Срок службы современного сажевого фильтра составляет 120000 км пробега. Производители декларируют выпуск в ближайшее время фильтра с ресурсом 250000 км.

Ввиду высокой стоимости сажевые фильтры, выработавшие ресурс, автовладельцами, как правило, не заменяются, а удаляются с последующей перепрошивкой системы управления двигателем.

Глушитель является важным конструктивным элементом выпускной системы, без которого эксплуатация современного автомобиля просто невозможна. Автомобильный глушитель выполняет следующие основные функции:

  1.  снижение уровня шума отработавших газов;
  2.  преобразование энергии отработавших газов, снижение их скорости, температуры, пульсации.

Отработавшие газы, покидающие цилиндры двигателя, имеют высокое давление. При движении отработавших газов по выпускной системе создаются звуковые волны, распространяющиеся быстрее газов. Глушитель преобразует энергию звуковых колебаний в тепловую энергию, чем достигается снижение уровня шума до определенного (заданного) значения. Вместе с тем с применением глушителя в выпускной системе создается противодавление, которое приводит к некоторому снижению мощности двигателя.

В глушителе используется несколько технологий снижения уровня шума:

  1.  расширение (сужение) потока;
  2.  изменение направления потока;
  3.  интерференция звуковых волн;
  4.  поглощение звуковых волн.

Расширение потока реализовано посредством нескольких камер разного объема, разделенных перегородками. Позволяет эффективно гасить низкочастотные звуковые колебания. Наряду с расширением в глушителе осуществляется сужение потока с помощью диафрагменного отверстия (дросселя). Используется для гашения высокочастотного шума.

В глушителе, за исключением прямоточных глушителей, предусматривается изменение направления движения потокаотработавших газов. Угол поворота потока находится в пределе 90-360°, чем достигается гашение средне- и высокочастотных звуковых колебаний.

Интерференция звуковых волн, в зависимости от характера их наложения, приводит к увеличению (конструктивная интерференция) или уменьшению (деструктивная интерференция) амплитуды колебаний. В глушителе используются оба вида интерференции. Технология реализована с помощью перфорационных отверстий в трубах глушителя. Изменяя размер отверстий и объем окружающей трубу камеры можно добиться гашения звуковых колебаний в широком диапазоне частот.

При прохождении звуковых волн через специальный звукопоглощающий материал происходит их поглощение. Данный способ эффективен при гашении высокочастотных звуковых колебаний.

Для достижения наибольшего эффекта данные технологии в глушителях используются, как правило, в комплексе.

В современных автомобилях устанавливается от одного до пяти глушителей, в основном – два. Ближайший к двигателю глушитель называется предварительным (передним) глушителем или резонатором. За ним следует основной (задний) глушитель. Для каждой конкретной модели автомобиля и марки двигателя используется свой набор глушителей.

Устройство резонатора

Резонатор служит для предварительного снижения уровня шума и уравновешивания пульсаций потока отработавших газов. Конструктивно резонатор представляет собой перфорированную трубу, помещенную в металлический корпус. Для повышения эффективности гашения колебаний в трубе выполняется дроссельное отверстие.

Устройство основного глушителя

Основной глушитель обеспечивает окончательное шумоподавление. Он имеет более сложную конструкцию. В металлическом корпусе размещается несколько перфорированных трубок. Корпус разделен перегородками на 2-4 камеры. Некоторые камеры могут заполняться звукопоглощающим материалом. В основном глушителе поток отработавших газов многократно меняет свое направление –лабиринтный глушитель.

Из всех конструктивных элементов выпускной системы больше всех подвергается модернизации (тюнингу) глушитель. При тюнинге выпускной системы устанавливается т.н. прямоточный глушитель(одна прямоточная труба на все камеры без изменения направления потока). Такой глушитель обладает меньшим противодавлением, но существенной прибавки в мощности двигателя он не дает. Основное преимущество прямоточного глушителя «благородное» или «спортивное» звучание автомобиля (кому, что больше нравиться).

Устройство прямоточного глушителя

Конструкция прямоточного глушителя объединяет корпус из нержавеющей стали, в котором размещена перфорированная труба, обернутая стальной сеткой и звукопоглощающим материалом. Стальная сетка обеспечивает в основном защиту звукопоглощающего материала от выдува. В качестве звукопоглощающего материала используется стекловолокно. В прямоточном глушителе звуковые волны беспрепятственно проходят через отверстия трубы, металлическую сетку и поглощаются стекловолокном (преобразуются в тепловую энергию).

Кислородный датчик (другое наименование лямбда-зонддатчик концентрации кислорода) служит для определения количества кислорода в отработавших газах.

Для обеспечения эффективной (экономичной и экологичной) работыдвигателя внутреннего сгорания соотношение воздуха и топлива в топливно-воздушной смеси должно быть постоянным на всех режимах работы. Это достигается использованием кислородного датчика в выпускной системе. Сам процесс управления содержанием кислорода в выхлопных газах называется лямбда-регулирование.

Так, при недостатке воздуха в топливно-воздушной смеси, углеводороды и угарный газ полностью не окисляются. С другой стороны, при избытке воздуха оксиды азота полностью не разлагаются на азот и кислород.

Лямбда-зонд устанавливается ввыпускной системе. На отдельных моделях автомобилей применяется два кислородных датчика: один устанавливается до каталитического нейтрализатора, другой – после. Применение двух кислородных датчиков усиливает контроль за составом отработавших газов и обеспечивает эффективную работу нейтрализатора.

В зависимости от конструкции различают два вида кислородных датчиков:

  1.  двухточечный датчик;
  2.  широкополосный датчик.

Двухточечный датчик устанавливается как перед нейтрализатором, так и за ним. Датчик фиксирует коэффициент избытка воздуха в топливно-воздушной смеси (λ) по величине концентрации кислорода в отработавших газах.

Двухточечный датчик представляет собой керамический элемент, имеющий двухсторннее покрытие из диоксида циркония. Измерение осуществляется электрохимическим способом. Электрод одной стороной контактирует с выхлопными газами, друго - с атмосферой.

Принцип действия двухточечного кислородного датчикаоснован на измерении содержания кислорода в отработавших газах и атмосфере. При разной концентрации кислорода в отработавших газах и атмосфере на концах электрода создается напряжение. Чем выше содержание кислорода (обедненная топливно-воздушная смесь), тем ниже напряжение, чем ниже содержание кислорода (обогащенная топливно-воздушная смесь), тем выше напряжение.

Электрический сигнал от кислородного датчика поступает в электронный блок управления системы управления двигателем. В зависимости от величины сигнала блок управления воздействуют на исполнительные органы подконтрольных ему систем автомобиля.

Широкополосный датчик представляет собой современную конструкцию лямбда-зонда. Он применяется в качестве входного датчика каталитического нейтрализатора. В широкополосном датчике значение "лямбда" определяется с использованием силы тока закачивания.

В отличие от двухточечного датчика широкополосный датчик состоит из двух керамических элементов - двухточечного и закачивающего. Под закачиванием понимается физический процесс, при котором кислород из отработавших газов проходит через закачивающий элемент под воздействием определенной силы тока.

Принцип работы широкополосного датчика основан на поддержании постоянного напряжения (450 мВ) между электродами двухточечного элемента за счет изменения силы тока закачивания.

Снижение концентрации кислорода в отработавших газах (обогащенная топливно-воздушная смесь) сопровождается ростом напряжения между электродами двухточечного керамического элемента. Сигнал от элемента подается в электронный блок управления, на основании которого создается ток, определенной силы, на закачивающем элементе.

Ток, в свою очередь, обеспечивает закачку в измерительный зазор и напряжение достигает нормативного значения. Величина силы тока при этом является мерой концентрации кислорода в отработавших газах. Она анализируется электронным блоком управления и преобразуется в управляющие воздействия на исполнительные устройства системы впрыска.

При обеднении топливно-воздушной смеси работа широкополосного датчика осуществляется аналогичным образом. Отличие состоит в том, что под действием тока происходит выкачивание кислорода из измерительного зазора наружу.

Эффективная работа кислородного датчика осуществляется при температуре 300°С. Для скорейшего достижения рабочей температуры лямбда-зонд оборудуется нагревателем.

Система рециркуляции отработавших газов (EGR – Exhaust Gas Recirculation) предназначена для снижения в отработавших газах оксидов азота за счет возврата части газов во впускной коллектор.

Оксиды азота образуются в двигателе под действием высокой температуры. Чем выше температура в камерах сгорания, тем больше образуется оксидов азота. Возврат части отработавших газов во впускной коллектор позволяет снизить температуру сгорания топливно-воздушной смеси, и, тем самым, уменьшить образование оксидов азота. При этом соотношение компонентов в топливно-воздушной смеси остается неизменным, а мощностные характеристики двигателя изменяются незначительно.

Система рециркуляции отработавших газов применяется как на бензиновых, так и на дизельных двигателях. На бензиновых двигателях внутреннего сгорания, оборудованных турбонаддувом, система рециркуляции отработавших газов не применяется.

На разных конструкциях двигателей система рециркуляции отработавших газов имеет различное устройство. Вместе с тем, можно выделить общие конструктивные элементы данной системы:

  1.  клапан рециркуляции;
  2.  управляющий клапан;
  3.  воздушные патрубки.

Схема системы рециркуляции отработавших газов

Клапан рециркуляциинепосредственно осуществляет перепускание отработавших газов извыпускной системы во впускной коллектор. Работа клапана основана на разряжении, возникающем во впускном коллекторе. За счет разряжения вакуумный преобразователь перемещает вал клапана. Величина открытия клапана определяет объем отработавших газов, поданных к впускному коллектору.

Управляющий клапан (другое наименование – активатор) регулирует величину разряжения, подающегося на клапан рециркуляции. Управляющий клапан представляет собой электромагнитный клапан. Работа клапана осуществляется по команде электронного блока управления в зависимости от режимов работы двигателя.

Принцип действия системы рециркуляции отработавших газов

На основании электрического сигнала от электронного блока управления открывается электромагнитный клапан. Разряжение из впускного коллектора подается на вакуумный преобразователь. Клапан рециркуляции открывается на определенную величину, и часть отработавших газов направляется во впускной коллектор.

Система рециркуляции отработавших газов не работает на холостом ходу, при холодном двигателе, а также при полностью открытой дроссельной заслонке.

На современных двигателях рециркуляция отработавших газов производится под контролем системы управления двигателем. Конструктивно такая система рециркуляции включаетдроссельный клапан с элетроприводом. Срабатывание системы происходит по команде блока управления двигателем на основании показаний входных датчиков. По сигналу включается электродвигатель и открывает дроссельную заслонку. Положение дроссельной заслонки контролируется потенциометрическим датчиком. Сигнал от датчика используется для определения величины перепускаемых газов.

На отдельных двигателях в системе рециркуляции отработавших газов применяется охлаждение газов. Охлаждение отработавших газов дополнительно снижает температуру сгорания и, тем самым, уменьшает образование оксидов азота. Охлаждение производится путем прохождения охлаждающей жидкости через клапан рециркуляции. Реже в системе рециркуляции отработавших газов используется специальный радиатор, включенный в систему охлаждения.

Система вентиляции картера предназначена для уменьшения выброса вредных веществ из картера двигателя в атмосферу. При работе двигателя из камер сгорания в картер могут просачиваться отработавшие газы. В картере также находятся пары масла, бензина и воды. Все вместе они называются картерными газами. Скопление картерных газов ухудшает свойства и состав моторного масла, разрушает металлические части двигателя.

На современных двигателях применяется принудительная система вентиляции картера закрытого типа. Система вентиляции картера у разных производителей и на разных двигателях может иметь различную конструкцию. Вместе с тем можно выделить следующие общие конструктивные элементы данной системы:

  1.  маслоотделитель;
  2.  клапан вентиляции картера;
  3.  воздушные патрубки.

Схема системы вентиляции картера

Маслоотделитель предотвращает попадание паров масла в камеру сгорания двигателя, тем самым уменьшает образование сажи. Различают лабиринтный и циклический способы отделения масла от газов. Современные двигатели оборудованы маслоотделителем комбинированного действия.

В лабиринтном маслоотделителе(другое наименование успокоитель) замедляется движение картерных газов, за счет чего крупные капли масла оседают на стенках и стекают в картер двигателя.

Центробежный маслоотделитель производит дальнейшее отделение масла от картерных газов. Картерные газы, проходя через маслоотделитель, приходят во вращательное движение. Частицы масла под действием центробежной силы оседают на стенках маслоотделителя и стекают в картер двигателя.

Для предотвращения турбулентности картерных газов после центробежного маслоотделителя применяется выходной успокоитель лабиринтного типа. В нем происходит окончательное отделение масла от газов.

Клапан вентиляции картера служит для регулирования давления поступающих во впускной коллектор картерных газов. При незначительном разряжении клапан открыт. При значительном разряжении во впускном канале клапан закрывается.

Работа системы вентиляции картера основана на использовании разряжения, возникающего во впускном коллекторе двигателя. Посредством разряжения газы выводятся из картера. В маслоотделителе картерные газы очищаются от масла. После чего, газы по патрубкам направляются во впускной коллектор, где смешиваются с воздухом и сжигаются в камерах сгорания.

В двигателях с турбонаддувом осуществляется дроссельное регулирование вентиляции картера.

Система улавливания паров бензина (EVAP - Evaporative Emission Control) предназначена для предотвращения утечки паров бензина в атмосферу. Пары образуются при нагреве бензина в топливном баке, а также при пониженном атмосферном давлении. Пары бензина аккумулируются в системе, при запуске двигателя выводятся во впускной коллектор и сжигаются в двигателе. Система применяется на всех современных моделях бензиновых двигателей.

Система улавливания паров бензина имеет следующее устройство:

  1.  угольный адсорбер;
  2.  электромагнитный клапан продувки адсорбера;
  3.  соединительные трубопроводы.

Основу конструкции системы составляет адсорбер, который собирает пары бензина из топливного бака. Адсорбер заполнен гранулами активированного угля, которые непосредственно поглощают и сохраняют пары бензина. Адсорбер имеет три внешних соединения:

  1.  с топливным баком (через него пары топлива поступают в адсорбер);
  2.  с впускным коллектором (через него происходит продувка адсорбера);
  3.  с атмосферой через воздушный фильтр или отдельный клапан на входе (через него создается перепад давления, необходимый для продувки).

Схема системы улавливания паров бензина

Освобождение адсорбера от накопленных паров бензина осуществляется с помощью продувки (регенерации). Для управления процессом регенерации в систему EVAP включен электромагнитный клапан продувки адсорбера. Клапан является исполнительным механизмом системы управления двигателем и располагается в трубопроводе, соединяющем адсорбер с впускным коллектором.

Продувка адсорбера производится при определенных режимах работы двигателя (частота вращения коленчатого вала, нагрузка). На холостом ходу и при холодном двигателе продувка не производится.

По команде электронного блока управления электромагнитный клапан открывается. Пары бензина, находящиеся в адсорбере, продуваются за счет разряжения во впускном коллекторе. Они направляются в коллектор и далее сжигаются в камерах сгорания двигателя.

Количество поступающих паров бензина регулируется временем открытия клапана. При этом в двигателе поддерживается оптимальное соотношение воздуха и топлива.

В двигателях с турбонаддувом при работе турбокомпрессораразряжение во впускном коллекторе не создается. Поэтому в систему EVAP включен дополнительный двухходовой клапан, который срабатывает и направляет пары топлива при продувке адсорбера:

  1.  во впускной коллектор (при отсутствии давления наддува);
  2.  на впуск компрессора (при наличии давления наддува).

Трансмиссия автомобиля

Трансмиссии полноприводных автомобилей имеют различные конструкции. В совокупности они образуют системы полного привода. Различают следующие виды систем полного привода:

  1.  постоянный полный привод;
  2.  полный привод подключаемый автоматически;
  3.  полный привод подключаемый вручную.

Разные виды систем полного привода имеют, как правило, разное предназначение. Вместе с тем можно выделить следующие общие преимущества данных систем, определяющие область их применение:

  1.  эффективное использование мощности двигателя;
  2.  лучшая управляемость и курсовая устойчивость на скользком покрытии;
  3.  повышенная проходимость автомобиля.

Система постоянного полного привода

Система постоянного полного привода (другое наименование –система полного привода Full Time, в переводе «полное время») обеспечивает постоянную передачу крутящего момента на все колеса автомобиля.

Система имеет следующее общее устройство:

  1.  сцепление;
  2.  коробка передач;
  3.  раздаточная коробка;
  4.  карданные передачи задней и передней оси;
  5.  главные передачи задней и передней оси;
  6.  мелколесные дифференциалы задней и передней оси;
  7.  полуоси колес.

Схема системы постоянного полного привода

Постоянный полный привод применяется как на автомобилях с заднеприводной компоновкой (продольное расположение двигателя и коробки передач), так и на автомобилях с переднеприводной компоновкой (поперечное расположение двигателя и коробки передач). Такие системы различаются в основном по конструкции раздаточной коробки и карданных передач.

Известными системами постоянного полного привода являются система Quattro от AudixDrive от BMW,4Matic от Mercedes.

Сцепление обеспечивает кратковременное отсоединение двигателя от трансмиссии при переключении передач, а также предохранение элементов трансмиссии от перегрузок.

Коробка передач служит для изменения крутящего момента, скорости и направления движения автомобиля. В автоматической коробке передач функцию сцепления выполняет гидротрансформатор.

Раздаточная коробка предназначена для распределения крутящего момента по осям автомобиля и его увеличения при необходимости. Современная раздаточная коробка включает цепную передачу (зубчатую передачу), обеспечивающую передачу крутящего момента на переднюю ось, понижающую передачу в виде планетарного редуктора (в отдельных конструкциях) и межосевой дифференциал.

Наличие межосевого дифференциала является отличительной особенностью раздаточной коробки системы постоянного полного привода. Для полной реализации полноприводных возможностей в конструкции системы предусматривается блокировка межосевого дифференциала.

Блокировка дифференциала может осуществляться автоматически или вручную. Современными конструкциями автоматической блокировки межосевого дифференциала является вискомуфта,самоблокирующийся дифференциал Torsenмногодисковая фрикционная муфта.

Ручная (принудительная) блокировка дифференциала производится водителем с помощью механического, пневматического, электрического или гидравлического привода.

На некоторых конструкциях раздаточной коробки предусмотрены функции как автоматической, так и ручной блокировки межосевого дифференциала.

Карданные передачи обеспечивают передачу крутящего момента от вторичных валов раздаточной коробки на валы главных передач.

Главная передача служит для увеличения крутящего момента и его передачи на полуоси колес.

Межколесный дифференциал обеспечивает распределение крутящего момента между ведущими колесами и позволяет полуосям вращаться с различными угловыми скоростями. В системах полного привода межколесный дифференциал применяется на передней и задней оси.

Для реализации полноприводных возможностей один или оба дифференциала имеют возможность блокировки. Блокировка межколесного дифференциала может осуществляться вручную или автоматически (вискомуфта, дифференциал Torsen). На современных автомобилях применяется электронная блокировка дифференциала.

Принцип работы системы постоянного полного приводазаключается в следующем. Крутящий момент от двигателя передается на коробку передач и далее на раздаточную коробку. В раздаточной коробке момент распределяется по осям. При необходимости водителем может быть включена понижающая передача. Далее крутящий момент через карданные валы передается на главную передачу и межосевой дифференциал каждой из осей. От дифференциала крутящий момент через полуоси передается на ведущие колеса. При проскальзывании колес одной из осей автоматически или принудительно производится блокировка межосевого и межколесного дифференциалов.

Система полного привода подключаемого автоматически

Система полного привода подключаемого автоматически(другое наименование – система полного привода On demand, в переводе «по требованию») является перспективным направлением развития полного привода легковых автомобилей. Данная система обеспечивает подключение колес одной из осей в случае проскальзывания колес другой оси. В обычных условиях эксплуатации автомобиль является передне- или заднеприводным.

Практически все ведущие автопроизводители имеют в своем модельном ряду автомобили с автоматически подключаемым полным приводом. Известной системой полного привода подключаемого автоматически является 4Motion от Volkswagen.

Система полного привода подключаемого автоматически имеет следующее общее устройство:

  1.  сцепление;
  2.  коробка передач;
  3.  главная передача передней оси;
  4.  межколесный дифференциал передней оси;
  5.  раздаточная коробка;
  6.  карданная передача;
  7.  муфта подключения задней оси;
  8.  главная передача задней оси;
  9.  межколесный дифференциал задней оси;
  10.  полуоси.

Схема системы полного привода подключаемого автоматически

Раздаточная коробка в системе автоматически подключаемого полного привода представляет собой, как правило, конический редуктор. Понижающая передача и межосевой дифференциал отсутствуют.

В качестве муфты подключения задней оси используются следующие устройства:

  1.  вискомуфта;
  2.  электронноуправляемая фрикционная муфта.

Известной фрикционной муфтой является муфта Haldex, которая используется в системе полного привода 4Motion концерна Volkswagen.

Принцип работы системы полного привода подключаемого автоматически, оборудованного фрикционной муфтой, заключается в следующем. Крутящий момент от двигателя, через сцепление, коробку передач, главную передачу и дифференциал передается на переднюю ось автомобиля. Крутящий момент через раздаточную коробку и карданные валы также передается на фрикционную муфту. В нормальном положении фрикционная муфта имеет минимальное сжатие, при котором на заднюю ось передается до 10% крутящего момента. При проскальзывании колес передней оси по команде электронного блока управления срабатывает фрикционная муфта и передает крутящий момент на заднюю ось. Величина передаваемого на заднюю ось крутящего момента может изменяться в определенных пределах.

Система полного привода подключаемого вручную

Система полного привода подключаемого вручную (другое наименование - система полного привода Part Time, в переводе «частичное время») в настоящее время практически не применяется, т.к. является низкоэффективной. Вместе с тем, именно эта система обеспечивает жесткую связь передней и задней оси, передачу крутящего момента в соотношении 50:50 и поэтому является по настоящему внедорожной.

Устройство системы полного привода подключаемого вручнуюв целом аналогично системе постоянного полного привода. Основные отличия – отсутствие межосевого дифференциала и возможность подключения переднего моста в раздаточной коробке. Необходимо отметить, что в ряде конструкций постоянного полного привода используется функция отключения переднего моста. Правда в данном случае отключение и подключение это не одно и то же.

Система полного привода 4Motion относится к т.н. системам полного привода подключаемым автоматически. В данной системе крутящий момент двигателя распределяется по осям в зависимости от дорожной ситуации. Система 4Motion устанавливается на автомобили концерна Volkswagen с 1998 года. Название 4Motion является зарегистрированным товарным знаком.

Система полного привода 4Motion имеет следующее устройство:

  1.  коробка передач;
  2.  дифференциал передней оси;
  3.  раздаточная коробка;
  4.  карданная передача привода задней оси;
  5.  многодисковая фрикционная муфта;
  6.  главная передача и дифференциал задней оси.

Схема системы полного привода 4Motion

Дифференциал передней оси обеспечивает передачу крутящего момента от коробки передач к передним ведущим колесам. Корпус дифференциала передней оси соединен с раздаточной коробкой полым валом.

Раздаточная коробка представляет собой коническую передачу, с помощью которой крутящий момент передается под углом 90 град. Карданная передача привода задней оси соединяет раздаточную коробку и фрикционную муфту.

Карданная передача состоит из двух валов, соединенных шарниром равных угловых скоростей. К раздаточной коробке и фрикционной муфте валы присоединяются с помощью упругих муфт. Задний карданный вал имеет промежуточную опору.

В системе полного привода 4Motion применяется многодисковая фрикционная муфта Haldex. Муфта обеспечивает управляемую передачу крутящего момента (величина передаваемого крутящего момента определяется степенью замыкания муфты) от передней к задней оси автомобиля. Муфта Haldex встроена в картер дифференциала задней оси.

В настоящее время в системе полного привода 4Motion используетсямуфта Haldex четвертого поколения (автомобили Volkswagen Tiguan), которая имеет более простую конструкцию в сравнении с предшественниками. До этого устанавливались муфты первого и второго поколений (автомобили Volkswagen Golf IV, V – опционально, Volkswagen Transporter).

Конструктивно муфта Haldex включает:

  1.  пакет фрикционных дисков;
  2.  систему управления;
  3.  насос;
  4.  аккумулятор давления;
  5.  масляный фильтр;
  6.  масляные магистрали.

Схема фрикционной муфты Haldex

Пакет фрикционных дисков представляет собой набор из фрикционных и стальных дисков. Фрикционные диски имеют внутреннее зацепление со ступицей. Стальные диски имеют внешнее зацепление с барабаном. Количество дисков определяет величину передаваемого крутящего момента (больше дисков – больше момент). Диски сжимаются поршнями.

Муфта Haldex имеет электронное управление, включающее входные датчики, блок управления и исполнительные устройства. Входным датчиком системы управления является датчик температуры масла.

Блок управления преобразует входящую информацию в управляющие воздействия на исполнительное устройство. Помимо датчика температуры масла электронный блок управления использует информацию от блока управления двигателемблока управления системы ABS, получаемую по CAN-шине.

Исполнительным устройством системы управления является клапан управления, регулирующий давление сжатия фрикционных дисков от 0 до 100% максимальной величины. Величина давления определяется положением клапана.

Насос и аккумулятор давления обеспечивают поддержание давления масла в системе на уровне 3 МПа.

Принцип работы системы полного привода 4Motion

Работа системы 4Motion определяется алгоритмом работы муфты Haldex, в котором можно выделить следующие характерные режимы:

  1.  начало движения;
  2.  начало движения с пробуксовкой;
  3.  движение с постоянной скоростью;
  4.  движение с пробуксовкой;
  5.  торможение.

При трогании с места и разгоне автомобиля клапан управления закрыт, диски муфты максимально сжаты. На задние колеса передается максимальный крутящий момент.

Если движение начинается с пробуксовкой обоих передних колес, клапан управления закрывается, фрикционные диски муфты сжимаются. Крутящий момент полностью передается на заднюю ось. При пробуксовке одного из передних колес в работу системы вначале включается электронная блокировка дифференциала.

При движении с постоянной скоростью клапан открывается, а диски сжимаются в зависимости от условий движения. На заднюю ось крутящий момент передается в определенных (незначительных) пределах.

Пробуксовка в движении автомобиля определяется на основании сигналов от блока управления системы ABS. При этом клапан открывается в зависимости от условий движения (какая ось и какие колеса буксуют).

При торможении клапан управления открыт, фрикционные диски муфты полностью разжаты. Крутящий момент на заднюю ось не передается.

Система полного привода quattro является системой постоянного полного привода, в которой крутящий момент постоянно передается на все колеса автомобиля. С 1980 года название quattroиспользуется автопроизводителем Audi для обозначения системы полного привода своих автомобилей и является зарегистрированным товарным знаком. Отличительной особенностью системы quattro является продольное расположение двигателя и элементов трансмиссии, которое характерно для большинства автомобилей Audi.

Несмотря на различия в конструкции систем полного привода конкретных автомобилей, можно выделить следующее общее устройство системы quattro:

  1.  коробка передач;
  2.  раздаточная коробка;
  3.  карданная передача привода задней оси;
  4.  главная передача и задний межколесный дифференциал;
  5.  вал привода передней оси;
  6.  главная передача и передний межколесный дифференциал.

Схема системы полного привода quattro

В трансмиссии quattro может устанавливаться как механическая коробка передач, так и коробка-автомат.

Раздаточная коробканепосредственно присоединена к коробке передач. Конструктивно она включает межосевой дифференциал, распределяющий крутящий момент на переднюю и заднюю оси. Корпус дифференциала имеет механическое соединение с коробкой передач. Распределение крутящего момента на оси в зависимости от конструкции раздаточной коробки может осуществляться непосредственно через приводные валы или отдельную зубчатую передачу.

В качестве межосевого дифференциала в системе полного привода quattro использовались и используются:

  1.  с 1981 года – свободный межосевой дифференциал с механической блокировкой;
  2.  с 1988 года – самоблокирующийся симметричный дифференциал Torsen с возможностью перераспределения крутящего момента на ось с лучшим сцеплением до 80%. Расположение сателлитов перпендикулярно приводным валам (Torsen Т-1);
  3.  с 2007 года – самоблокирующийся несимметричный дифференциал Torsen с распределением крутящего момента по осям в стандартном положении 40:60 и с возможностью перераспределения крутящего момента на ось с лучшим сцеплением до 70% - на переднюю ось и до 80% - на заднюю ось. Расположение сателлитов параллельно приводным валам (Torsen Т-3).
  4.  с 2010 года - самоблокирующийся несимметричный дифференциал с коронными шестернями с распределением крутящего момента по осям в стандартном положении 40:60 и с возможностью перераспределения крутящего момента на ось с лучшим сцеплением до 70% - на переднюю ось и до 85% - на заднюю ось (Audi RS5).

Раздаточная коробка автомобиля Audi Allroad дополнительно оснащается пониженной передачей.

Передача крутящего момента на заднюю ось осуществляется с помощью карданной передачи, состоящей из двух валов, трехшарниров равных угловых скоростей и одной промежуточной опоры.

Главная передача и задний межколесный дифференциал выполнены в отдельном картере. В разное время в системе quattro использовались следующие конструкции задних дифференциалов:

  1.  с 1981 года – свободный дифференциал с механической блокировкой (ручной или электропневматической);
  2.  с 1988 года - самоблокирующийся симметричный дифференциал Torsen (Audi V8);
  3.  с 1995 года – свободный дифференциал с электронной блокировкой.

Вал привода передней оси обеспечивает передачу крутящего момента от раздаточной коробки к главной передаче и межколесному дифференциалу передней оси. Он помещен в отдельный кожух. На последних моделях автомобилей Audi, оснащенных системой quattro, коробка передач, раздаточная коробка, вал привода, главная передача и дифференциал передней оси объединены в одном корпусе.

В качестве переднего межколесного дифференциала используется сободный дифференциал, к которому с 1995 года добавлена функция электронной блокировки дифференциала.

На автомобилях Audi с поперечным расположением двигателя (Audi A3/S3, Audi TT, Audi Q3) используется система полного привода подключаемого автоматически, аналогичная системе 4Motion с фрикционной муфтой Haldex.

Перспективная версия системы полного привода от Audi основана на использовании гибридной силовой установки и носит название E-tron quattro. Данную систему планируется устанавливать на серийные автомобили с 2014 года.

Схема системы полного привода E-tron quattro

Конструктивно система E-tron quattro включает в дополнение к двигателю внутреннего сгорания и коробке передач два электродвигателя - мощностью 33 кВт на передней оси и 60 кВТ - на задней. При этом задняя ось имеет только электрический привод. Питание электродвигателей осуществляется от литий-ионной аккумуляторной батареи, установленной в центральном тоннеле автомобиля.

Система полного привода 4Matic является разработкой Mercedes-Benz и устанавливается на некоторые модели легковых автомобилей. Название 4Matic – зарегистрированный товарный знак. Трансмиссия автомобилей с системой 4Matic имеет только автоматическую коробку передач.

История системы полного привода 4Matic включает три поколения:

Система полного привода 4Matic последнего поколения имеет следующее устройство:

  1.  автоматическая коробка передач;
  2.  раздаточная коробка;
  3.  карданная передача привода передней оси;
  4.  главная передача и передний межколесный дифференциал;
  5.  приводные валы с шарнирами равных угловых скоростей;
  6.  карданная передача привода задней оси;
  7.  главная передача и задний межколесный дифференциал;
  8.  полуоси задних колес.

Схема системы полного привода 4Matic

Центральным конструктивным элементом системы 4Matic являетсяраздаточная коробка, которая осуществляет бесступенчатое распределение крутящего момента по осям автомобиля.

Раздаточная коробка включает:

  1.  приводной вал;
  2.  сдвоенный планетарный редуктор;
  3.  вал привода задней оси;
  4.  вал привода передней оси;
  5.  цилиндрические шестерни.

Схема раздаточной коробки системы 4Matic

Планетарный редуктор выполняет в коробке функцию несимметричного межосевого дифференциала. Передача крутящего момента происходит таким образом, что на переднюю ось приходится 40% его номинальной величины, на заднюю ось – 60% (на некоторых моделях это соотношение 45:55).

Приводной вал соединен с водило планетарного редуктора. Вал привода задней оси вращается от солнечной шестерни большего диаметра. Вал привода передней оси полый, соединен с солнечной шестерней малого диаметра, с другой стороны с помощью цилиндрических шестерен соединен с карданной передачей передней оси.

В системе 4Matic не предусмотрено блокировок межосевого и межколесных дифференциалов. Автоматический контроль устойчивости при движении автомобиля обеспечивает система курсовой устойчивости ESP, которая включает систему контроля тягового усилия ETS, антипробуксовочную систему ASR иантиблокировочную систему тормозов ABS.

Система ETS (Electric Traction System) по конструкции аналогичнаэлектронной блокировке дифференциала. При срабатывании система симулирует блокировку межколесных дифференциаловпутем подтормаживания буксующих колес. При этом крутящий момент на колесе с лучшим сцеплением увеличивается, чем достигается уверенный разгон с места, ускорение на дорогах с плохим покрытием, т.е., устойчивое управление автомобилем в сложных условиях.

Система полного привода xDrive является разработкой концерна BMW и относится к системам постоянного полного привода. Система обеспечивает бесступенчатое, непрерывное и переменное распределение крутящего момента между передней и задней осью в зависимости от условий движения. В настоящее время система xDrive устанавливается на спортивных внедорожниках (SAV, Sports Activity Vehicle) Х1, Х3, Х5, Х6 и легковых автомобилях 3-й, 5-й и 7-й серий.

История развития полного привода от BMW включает четыре поколения:

Система полного привода xDrive в своей основе использует традиционную для BMW заднеприводную схему трансмиссии. Распределение крутящего момента между осями осуществляется с помощью раздаточной коробки, которая представляет собой зубчатую передачу привода передней оси, управляемую фрикционной муфтой. В трансмиссии спортивных внедорожников вместо зубчатой передачи используется цепная передача.

Схема раздаточной коробки системы xDrive

Система xDrive интегрирована с системой динамического контроля курсовой устойчивостиDSC (Dynamic Stability Control). Помимоэлектронной блокировки дифференциала система DSC объединяетсистему контроля тягиDTC (Dynamic Traction Control), систему помощи при спускеHDC (Hill Descent Control) и др.

Взаимодействие систем xDrive и DSC осуществляется с помощью системы интегрального управления ходовой частью ICM (Integrated Chassis Management). Система ICM также обеспечивает связи ссистемой активного рулевого управленияAFS (Active Front Steering).

Принцип работы системы полного привода xDrive

В работе системы полного привода можно выделить несколько характерных режимов, определяемых алгоритмом срабатывания фрикционной муфты:

  1.  трогание с места;
  2.  прохождение поворотов с избыточной поворачиваемостью;
  3.  прохождение поворотов с недостаточной поворачиваемостью;
  4.  движение на скользком покрытии;
  5.  парковка.

При трогании с места в нормальных условиях фрикционная муфта замкнута, крутящий момент распределяется по осям в соотношении 40:60, чем достигается максимальная тяга при разгоне. При достижении скорости 20км/ч распределение крутящего момента между осями осуществляется в зависимости от дорожных условий.

При прохождении поворотов с избыточной поворачиваемостью(заднюю ось заносит к наружной стороне поворота) фрикционная муфта замыкается с большей силой, а на переднюю ось направляется больший крутящий момент. При необходимости в работу включается система DSC, стабилизирующая движение автомобиля путем подтормаживания колес.

При прохождении поворотов с недостаточной поворачиваемостью (передняя ось сносится к наружной стороне поворота) фрикционная муфта размыкается, а на заднюю ось направляется до 100% крутящего момента. При необходимости в работу включается система DSC.

При движении на скользком покрытии (лед, снег, вода) пробуксовка отдельных колес предотвращается за счет блокировки фрикционной муфты и, при необходимости, электронной межколесной блокировки системы DSC.

Во время парковки фрикционная муфта полностью размыкается, автомобиль становиться заднеприводным, чем достигается снижение нагрузок в трансмиссии и рулевом управлении.

Раздаточная коробка является неотъемлемым атрибутом автомобиля, оборудованного системой полного привода. Раздаточная коробка имеет следующее предназначение:

  1.  распределяет крутящий момент по осям автомобиля;
  2.  увеличивает крутящий момент при движении по плохим дорогам и бездорожью.

Конструкция раздаточной коробки различается в зависимости от вида системы полного привода. Вместе с тем, можно выделить следующее общее устройство раздаточной коробки:

  1.  ведущий вал;
  2.  межосевой дифференциал;
  3.  механизм блокировки межосевого дифференциала;
  4.  вал привода задней оси;
  5.  цепная (зубчатая) передача;
  6.  понижающая передача;
  7.  вал привода передней оси.

Схема раздаточной коробки (без понижающей передачи)

Ведущий вал передает крутящий момент от коробки передач к раздаточной коробке.

Межосевой дифференциалпредназначен для распределения крутящего момента между осями и позволяет им вращаться с разными угловыми скоростями. Межосевой дифференциал может быть симметричным и несимметричным. Симметричный дифференциал распределяет крутящий момент между осями поровну, несимметричный – в определенном соотношении. В раздаточных коробках, используемых в системах полного привода подключаемого автоматически и полного привода подключаемого вручную межосевой дифференциал, как правило, не применяется.

Для полной реализации полноприводных возможностей предусматривается блокировка межосевого дифференциала. Под блокировкой межосевого дифференциала понимается полное или частичное выключение дифференциала, обеспечивающее жесткое соединение передней и задней осей между собой. Блокировка может осуществляться автоматически или вручную.

Современными механизмами автоматической блокировки межосевого дифференциала является:

  1.  вискомуфта;
  2.  самоблокирующийся дифференциал Torsen;
  3.  многодисковая фрикционная муфта.

Вязкостная муфта (вискомуфта) является наиболее простым и недорогим устройством автоматической блокировки дифференциала. Работа муфты основана на возникновении блокирующего момента при разности угловых скоростей осей. Конструктивно муфта состоит из набора перфорированных дисков, половина из которых соединена со ступицей, другая – с корпусом муфты. Диски помещены в силиконовую жидкость. При проскальзывании одной из осей увеличивается частота вращения определенных дисков, силиконовая жидкость становиться более вязкой (густеет) и муфта блокируется – образуется связь ступицы с корпусом муфты. К недостаткам вискомуфты можно отнести срабатывание с запаздыванием, неполная блокировка межосевого дифференциала, перегрев при длительном использовании, несовместимость с системой ABS.

Схема вязкостной муфты

Самоблокирующийся дифференциал Torsen представляет собой конструкцию, состоящую из червячных шестерен: ведущих (сателлиты) и ведомых (солнечные шестерни приводов осей). Блокировка в дифференциале происходит за счет сил трения в червячной передаче. При движении по твердому покрытию устройство работает как обычный межосевой дифференциал и распределяет крутящий момент по осям в равных отношениях. При проскальзывании одной из осей крутящий момент перебрасывается на ось с лучшими сцепными свойствами, при этом соотношение крутящих моментов может достигать 20:80. Ввиду ограничений по прочности конструкции дифференциал Torsen не применяется на внедорожных автомобилях.

Схема дифференциала Torsen

Многодисковая фрикционная муфта представляет собой набор фрикционных дисков с контролируемой степенью сжатия (блокировки). Муфта обеспечивает распределение крутящего момента между осями в зависимости от дорожных условий. В нормальных условиях крутящий момент распределяется по осям в равных отношениях. При проскальзывании одной из осей фрикционные диски сжимаются, чем достигается частичная или полная блокировка межосевого дифференциала. Крутящий момент перераспределяется на ось, имеющую лучшее сцепление с дорогой. Для выполнения своих функций муфта может иметь электрический (электродвигатель) или гидравлический (гидроцилиндр) привод и электронную систему управления.

Ручная (принудительная) блокировка дифференциала производится водителем с помощью механического, пневматического, электрического или гидравлического привода. На некоторых конструкциях предусмотрены функции как автоматической, так и ручной блокировки межосевого дифференциала.

Вал привода задней оси выполнен, как правило, соосно с ведущим валом.

Цепная передача обеспечивает передачу крутящего момента на переднюю ось. Она включает ведущее и ведомое зубчатые колеса и приводную цепь. Вместо цепной передачи в раздаточной коробке может использоваться цилиндрическая зубчатая передача. Раздаточная коробка в системе автоматически подключаемого полного привода представляет собой, как правило, конический редуктор.

Понижающая передача служит для увеличения крутящего момента при движении по плохим дорогам и бездорожью. Она присутствует в отдельных конструкциях раздаточных коробок внедорожных автомобилей. На современных автомобилях понижающая передача выполнена в виде планетарного редуктора.

В раздаточной коробке, устанавливаемой на автомобили с системой полного привода подключаемого вручную, предусмотрена возможность подключения переднего моста (в данном контексте мост и ось синонимы) в раздаточной коробке. Отдельные конструкции раздаточных коробок системы постоянного полного привода имеют функцию отключения передней оси.

Режимы работы раздаточной коробки определяются ее конструкцией. В совокупности раздаточная коробка может иметь следующие режимы работы:

  1.  включен задний мост;
  2.  включены оба моста;
  3.  включены оба моста при блокировке межосевого дифференциала;
  4.  включены оба моста на понижающей передаче при блокировке дифференциала;
  5.  включены оба моста при автоматической блокировке дифференциала.

Переключение режимов осуществляется с помощью рычага управления, копок на панели приборов или поворотного переключателя.

Карданная передача предназначена для передачи крутящего момента между валами, расположенными под углом друг к другу. В автомобиле карданная передача применяется, как правило, втрансмиссии и рулевом управлении.

Посредством карданной передачи могут соединяться следующие элементы трансмиссии:

  1.  двигатель и коробка передач;
  2.  коробка передач и раздаточная коробка;
  3.  коробка передач и главная передача;
  4.  раздаточная коробка и главная передача;
  5.  дифференциал и ведущие колеса.

Основным элементом карданной передачи является карданный шарнир. В зависимости от конструкции шарнира различают следующие типы карданных передач:

  1.  карданная передача с шарниром неравных угловых скоростей;
  2.  карданная передача с шарниром равных угловых скоростей;
  3.  карданная передача с полукарданным упругим шарниром;
  4.  карданная передача с полукарданным жестким шарниром.

Карданная передача с полукарданным жестким шарниром на автомобилях не применяется, т.к. не отвечает требованиям надежности и технологичности.

Карданная передача с шарниром неравных угловых скоростей

Карданная передача с шарниром неравных угловых скоростей имеет устоявшееся название – карданная передача, обиходное название – кардан. Данный тип передачи применяется в основном на заднеприводных автомобилях и автомобилях с полным приводом.

Карданная передача имеет следующее устройство:

  1.  шарниры неравных угловых скоростей;
  2.  карданные валы;
  3.  промежуточная опора;
  4.  соединительные устройства.

Схема карданной передачи

Шарнир неравных угловых скоростей объединяет две вилки, расположенные под углом 90° друг к другу, крестовину и фиксирующие элементы. Крестовина вращается в игольчатых подшипниках, установленных в проушинах вилок. Подшипники необслуживаемые, пластичная смазка закладывается в них при сборке и в процессе эксплуатации не меняется.

Особенностью шарнира неравных угловых скоростей является неравномерная (циклическая) передача крутящего момента, т.е. за один оборот ведомый вал дважды отстает и дважды обгоняет ведущий вал. Для компенсации неравномерности вращения в карданной передаче применяется не менее двух шарниров, по одному с каждой стороны карданного вала. При этом вилки противоположных шарниров располагаются в одной плоскости.

В карданной передаче в зависимости от расстояния, на которое передается крутящий момент, применяется один или двакарданных вала. При двухвальной схеме первый вал носит название промежуточного, второй – заднего карданного вала. Место соединения валов фиксируется с помощью промежуточной опоры. Промежуточная опора крепится к кузову (раме) автомобиля. Для компенсации, возникающих в результате работы, изменений длины карданной передачи в одном из валов выполняется шлицевое соединение.

Соединение карданной передачи с другими элементами трансмиссии производится с помощью соединительных элементов: фланцев, муфт и др.

Карданная передача с шарниром равных угловых скоростей

Карданная передача с шарниром равных угловых скоростей нашла широкое применение в переднеприводных автомобилях для соединения дифференциала и ступицы ведущего колеса.

Карданная передача данного типа включает два шарнира равных угловых скоростей, соединенных приводным валом. Ближайший к коробке передач (дифференциалу) шарнир носит название внутреннего, противоположный ему – внешний шарнир.

С целью снижения уровня шума карданная передача с шарниром равных угловых скоростей также применяется в трансмиссиях автомоблей с задним и полным приводом. В данном случае шарнир неравных угловых скоростей уступает более соершенной конструкции ШРУС.

Карданный шарнир равных угловых скоростей обеспечивает передачу крутящего момента от ведущего к ведомому валу с постоянной угловой скорость, независимо от угла наклона валов. Самым распространенным в конструкции трансмиссии переднеприводного автомобиля является шариковый шарнир равных угловых скоростей.

Шарнир равных угловых скоростей (сокращенное название – ШРУС, обиходное название – граната) имеет следующее устройство:

  1.  корпус;
  2.  обойма;
  3.  шарики;
  4.  сепаратор;
  5.  грязезащитный чехол.

Схема шарнира равных угловых скоростей

Корпус имеет внутреннюю сферическую форму. Внутри корпуса располагается обойма. В корпусе и обойме выполнены канавки, по которым движутся шарики. Такая конструкция обеспечивает равномерную передачу крутящего момента от ведомого вала к ведущему под изменяющимся углом. Сепаратор удерживает шарики в определенном положении. Для защиты шарнира от негативных факторов внешней среды (кислорода, воды, грязи) на ШРУС устанавливается грязезащитный чехол – «пыльник».

При изготовлении в шарнир равных угловых скоростей закладывается смазка, приготовленная на основе дисульфида молибдена.

Карданная передача с полукарданным упругим шарниром

Полукарданный упругий шарнир обеспечивает передачу крутящего момента между двумя валами, расположенными под небольшим углом, за счет деформации упругого звена.

Схема полукарданного упругого шарнира

Характерным примером данного типа шарнирного соединения являетсяупругая муфта Гуибо (Guibo). Муфта представляет собой предварительно сжатый шестигранный упругий элемент, с двух сторон которого крепятся фланцы ведущего и ведомого валов.

овременные модели автомобилей имеют в своем арсенале, как правило, несколько двигателей – как бензиновых, так и дизельных. Двигатели различаются по мощности, величине крутящего момента, частоте вращения коленчатого вала. С разными двигателями применяются и разные коробки передач: механикароботвариатори конечно автомат.

Адаптация коробки передач к конкретному двигателю и автомобилю осуществляется с помощью главной передачи, имеющей определенное передаточное число. В этомосновноепредназначение главной передачи автомобиля.

Конструктивно главная передача представляет собой зубчатый редуктор, который обеспечивает увеличение крутящего момента двигателя и уменьшение частоты вращения ведущих колес автомобиля.

На преднеприводных автомобиля главная передача расположена вместе с дифференциалом в коробке передач. В автомобиле с задним приводом ведущих колес главная передача помещена в картер ведущего моста, где кроме нее находится и дифференциал. Положение главной передачи в автомобилях с полным приводом зависит от типа привода, поэтому может быть как в коробке передач, так и в ведущем мосту.

В зависимости от числа ступеней редуктора главная передача может быть одинарной или двойной. Одинарная главная передачасостоит из ведущей и ведомой шестерен. Двойная главная передача состоит из двух пара шестерен и применяется в основном на грузовых автомобилях, где требуется увеличение передаточного числа. Конструктивно двойная главная передача может выполняться центральной или разделенной. Центральная главная передача компонуется в общем картере ведущего моста. В разделенной передаче ступени редуктора разнесены: одна располагается в едущем мосту, другая – в ступице ведущих колес.

Вид зубчатого соединения определяет следующие типы главной передачи:

  1.  цилиндрическая;
  2.  коническая;
  3.  гипоидная;
  4.  червячная.

Цилиндрическая главная передача применяется на переднеприводных автомобилях, где двигатель и коробка передач расположены поперечно. В передаче используются шестерни с косыми и шевронными зубьями. Передаточное число цилиндрической главной передачи находится в пределах 3,5-4,2. Дальнейшее увеличение передаточного числа приводит к увеличению габаритов и уровня шума.

В современных конструкциях механической коробки передач применяется несколько вторичных валов (два и даже три), на каждом из которых устанавливается своя ведущая шестерня главной передачи. Все ведущие шестерни имеют зацепление с одной ведомой шестерней. В таких коробках главная передача имеет несколько значений передаточных чисел. По такой же схеме устроена главная передача роботизированной коробки передач DSG.

На пререднеприводных автомобилях может производиться замена главной передачи, являющаяся составной частью тюнинга трансмиссии. Это приводит к улучшению разгонной динамики автомобиля и снижению нагрузки на сцепление и коробку передач.

Коническая, гипоидная и червячная главные передачи применяются на заднеприводных автомобилях, где двигатель и коробка передач расположены параллельно движению, а крутящий момент на ведущую ось необходимо передать под прямым углом.

Из всех типов главной передачи заднеприводных автомобилей самой востребованной является гипоидная главная передача, которую отличает меньшая нагрузка на зуб и низкий уровень шума. Вместе с тем, наличие смещения в зацеплении зубчатых колес приводит к повышению трения скольжения и, соответственно, снижению КПД. Передаточное число гипоидной главной передачи составляет: для легковых автомобилей 3,5-4,5, для грузовых автомобилей 5-7.

Коническая главная передача применяется там, где не важны габаритные размеры и не ограничен уровень шума. Червячная главная передача ввиду трудоемкости изготовления и дороговизне материалов в конструкции трансмиссии автомобиля практически не применяется.

Дифференциал предназначен для передачи, изменения и распределения крутящего момента между двумя потребителями и обеспечения, при необходимости, их вращения с разными угловыми скоростями.

Дифференциал является одним из основных конструктивных элементов трансмиссии. Расположение дифференциала в трансмиссии автомобиля:

  1.  в заднеприводном автомобиле для привода ведущих колес – в картере заднего моста;
  2.  в переднеприводном автомобиле для привода ведущих колес – вкоробке передач;
  3.  в полноприводном автомобиле для привода ведущих колес – в картере переднего и заднего мостов;
  4.  в полноприводном автомобиле для привода ведущих мостов – враздаточной коробке.

Дифференциалы, используемые для привода ведущих колес, называются межколесными. Межосевой дифференциалустанавливается между ведущими мостами полноприводного автомобиля.

Конструктивно дифференциал построен на основе планетарного редуктора. В зависимости от вида зубчатой передач, используемой в редукторе, различают следующие виды дифференциалов:

  1.  конический;
  2.  цилиндрический;
  3.  червячный.

Конический дифференциал применяется в основном в качестве межколесного дифференциала. Цилиндрический дифференциалустанавливается чаще между осями полноприводных автомобилей.Червячный дифференциал, ввиду своей универсальности, может устанавливаться как между колесами, так и между осями.

Устройство дифференциала рассмотрено на примере самого распространенного конического дифференциала. Составные части дифференциала являются характерными и для других видов дифференциалов. Конический дифференциал имеет следующее общее устройство:

  1.  корпус;
  2.  сателлиты;
  3.  полуосевые шестерни.

Схема дифференциала

Корпус (другое наименование – чашка дифференциала) воспринимает крутящий момент от главной передачи и передает его через сателлиты на полуосевые шестерни. На корпусе жестко закреплена ведомая шестерня главной передачи. Внутри корпуса установлены оси, на которых вращаются сателлиты.

Сателлиты, играющие роль планетарной шестерни, обеспечивают соединение корпуса и полуосевых шестерен. В зависимости от величины передаваемого крутящего момента в конструкции дифференциала используется два или четыре сателлита. В легковых автомобилях применяется, как правило, два сателлита.

Полуосевые шестерни (солнечные шестерни) передают крутящий момент на ведущие колеса через полуоси, с которыми имеют шлицевое соединение. Правая и левая полуосевые шестерни могут иметь равное или различное число зубьев. Шестерни с равным числом зубьев образуют симметричный дифференциал, тогда как неравное количество зубьев характерно для несимметричного дифференциала.

Симметричный дифференциал распределяет крутящий момент по осям в равных соотношениях, независимо от величины угловых скоростей ведущих колес. Благодаря этим свойствам симметричный дифференциал используется в качестве межколесного дифференциала.

Несимметричный дифференциал делит крутящий момент в определенном соотношении, поэтому устанавливается между ведущими осями автомобиля.

Работа дифференциала

В работе симметричного межколесного дифференциала можно выделить три характерных режима:

  1.  прямолинейное движение;
  2.  движение в повороте;
  3.  движение по скользкой дороге.

При прямолинейном движении колеса встречают равное сопротивление дороги. Крутящий момент от главной передачи передается на корпус дифференциала, вместе с которым перемещаются сателлиты. Сателлиты, обегая полуосевые шестерни, передают крутящий момент на ведущие колеса в равном соотношении. Так как сателлиты на осях не вращаются, полуосевые шестерни движутся с равной угловой скоростью. При этом частота вращения каждой из шестерен равна частоте вращения ведомой шестерни главной передачи.

При движении в повороте внутреннее ведущее колесо (расположенное ближе к центру поворота) встречает большее сопротивление, чем наружное колесо. Внутренняя полуосевая шестерня замедляется и заставляет сателлиты вращаться вокруг своей оси, которые в свою очередь увеличивают частоту вращения наружной полуосевой шестерни. Движение ведущих колес с разными угловыми скоростями позволяет проходить поворот без пробуксовки. При этом, в сумме частоты вращения внутренней и наружной полуосевых шестерен всегда равна удвоенной частоте вращения ведомой шестерни главной передачи. Крутящий момент, независимо от разных угловых скоростей, распределяется на ведущие колеса в равном соотношении.

При движении по скользкой дороге одно из колес встречает большее сопротивление, тогда как другое проскальзывает - буксует. Дифференциал, в силу своей конструкции, заставляет вращаться буксующее колесо с увеличивающейся скоростью. Другое колесо при этом останавливается. Сила тяги на буксующем колесе, по причине низкой силы сцепления, мала, поэтому и крутящий момент на этом колесе тоже мал. А так как дифференциал у нас симметричный, то на другом колесе крутящий момент тоже будет небольшим. Тупиковая ситуация – автомобиль не может сдвинуться с места.

Для продолжения движения необходимо увеличить крутящий момент на свободном колесе. Это осуществляется с помощью блокировки дифференциала.

Особенностью работы свободного дифференциала является то, что при пробуксовке одного колеса (ведущей оси) на другое передается крутящий момент, недостаточный для движения. Блокировка дифференциала предназначена для увеличения крутящего момента на колесе (оси) с лучшим сцеплением.

Для того, чтобы заблокировать дифференциал необходимо выполнить одно из двух действий:

  1.  соединить корпус дифференциала с одной их полуосей;
  2.  ограничить вращение сателлитов.

В зависимости от степени блокирования блокировка дифференциала бывает:

  1.  полной;
  2.  частичной.

Полная блокировка дифференциала предполагает жесткое соединение частей дифференциала, при котором крутящий момент может полностью передаваться на колесо с лучшим сцеплением.

Частичная блокировка дифференциала характеризуется ограниченной величиной передаваемого усилия между частями дифференциала и соответствующего ей увеличения крутящего момента на колесе с лучшим сцеплением.

Величина повышения крутящего момента на свободном колесе оценивается коэффициентом блокировки. Другими словами,коэффициент блокировки выражает отношение крутящего момента на отстающем (свободном) колесе к моменту на забегающем (буксующем) колесе. Для симметричного свободного дифференциала коэффициент блокировки 1, т.к. крутящие моменты на каждом из колес всегда равны. В заблокированном дифференциале коэффициент блокировки может находится в пределе 3-5. Дальнейшее увеличение коэффициента блокировки нежелательно, т.к. может привести к поломке элементов трансмиссии.

Блокировка дифференциала применяется как на межколесных дифференциалах, так и на межосевых дифференциалах. Блокировка переднего межколесного дифференциала полноприводного автомобиля обычно не производится, чтобы не снижать управляемость.

Блокировка дифференциала может осуществляться принудительно и автоматически. Принудительная блокировка дифференциалапроизводится по команде водителя, поэтому другое ее названиеручная блокировкаАвтоматическая блокировка дифференциала выполняется с помощью специальных технических устройств – самоблокирующихся дифференциалов.

Принудительная блокировка дифференциала

Принудительная блокировка дифференциала производится, как правило, с помощью кулачковой муфты, обеспечивающей жесткое соединение корпуса дифференциала и одной из полуосей.

Замыкание (размыкание) кулачковой муфты производится с помощью механического, электрического, гидравлического или пневматического привода.

Механический привод объединяет рычаг и тросы или систему рычагов. Блокировка дифференциала производится водителем путем перемещения рычага в определенное положение на неподвижном автомобиле.

Гидравлический привод блокировки дифференциала включает главный и рабочий цилиндры. Исполнительным элементомпневматического привода является пневмоцилиндр (пневмокамера). В электрическом приводе для замыкания муфты используется электродвигатель. Включение блокировки дифференциала (инициация привода) производится путем нажатия соответствующей кнопки на панели приборов.

Жесткая принудительная блокировка применяется для преодоления автомобилем труднопроходимых участков, а при их прохождении обязательно выключается. Применяется в межколесных и межосевых дифференциалах полноприводных автомобилей.

Самоблокирующийся дифференциал

Самоблокирующийся дифференциал (другое название –дифференциал повышенного трения, Limited Slip Differential, LSD) по своей сути является компромиссом между свободным дифференциалом и полной блокировкой дифференциала, т.к. позволяет реализовать при необходимости возможности и того и другого.

Различают два вида самоблокирующихся дифференциалов:

  1.  дифференциалы, блокирующиеся от разности угловых скоростей колес;
  2.  дифференциалы, блокирующиеся от разности крутящих моментов.

К первым относятся дисковый дифференциал, дифференциал с вязкостной муфтой, а также т.н. электронная блокировка дифференциала. Блокируется в зависимости от разности крутящих моментов червячный дифференциал.

Простейший дисковый дифференциал представляет собой симметричный дифференциал, в который добавлены один или два пакета фрикционных дисков. Часть фрикционных дисков жестко связана с корпусом дифференциала, другая часть – с полуосью.

Принцип действия дифференциала повышенного трения дискового типа основан на силе трения, возникающей вследствие разности скоростей вращения полуосей.

При прямолинейном движении корпус дифференциала и полуоси вращаются с одинаковой скоростью, фрикционный пакет вращается как единое целое. При увеличении частоты вращения одной их полуосей, соответствующая ей часть дисков в пакете начинает вращаться быстрее. При этом между дисками возникает сила трения, препятствующая увеличению частоты вращения. Крутящий момент на свободном колесе увеличивается, чем достигается частичная блокировка дифференциала.

Степень сжатия фрикционных дисков может быть фиксированной (реализуется с помощью пружин постоянной жесткости) или переменной (осуществляется с помощью гидравлического привода, в т.ч. с электронным управлением).

Дисковый дифференциал LSD применяется в качестве межколесного дифференциала спортивных автомобилей, а также межосевого дифференциала автомобилей повышенной проходимости.

Вязкостная муфта (другое наименование – вискомуфта) представляет собой набор близко расположенных друг к другу перфорированных дисков, часть из которых жестко соединяется с корпусом дифференциала, другая часть – с приводным валом. Диски помещены в герметичный корпус, заполненный силиконовой жидкостью высокой вязкости.

Схема вязкостной муфты

При вращении корпуса дифференциала и приводного вала с одной скоростью блок перфорированных дисков вращается как одно целое. При увеличении скорости вращения приводного вала, соответствующая ему часть дисков начинает вращаться быстрее и перемешивает силиконовую жидкость. Жидкость твердеет, дифференциал блокируется. На другом приводном валу происходит увеличение крутящего момента. При восстановлении равенства скоростей жидкость теряет свои свойства и муфта разблокируется.

В связи с большим геометрическим размером вискомуфта применяется, как правило, для блокировки межосевого дифференциала. Вязкостная муфта также может использоваться и самостоятельно (вместо межосевого дифференциала) в системе полного привода, подключаемого автоматически.

В силу своей конструкции вискомуфта обладает инерционностью, склонна к нагреву и при торможении конфликтует с антиблокировочной системой тормозов, поэтому в настоящее время на автомобили практически не устанавливается.

Электронная блокировка дифференциала (или просто электронный дифференциал) является функцией антипробуксовочной системы. Реализуется путем автоматического подтормаживания буксующего колеса, сопровождаемого увеличением на нем силы тяги. Соответственно на колесе с лучшим сцеплением увеличивается крутящий момент.

Червячный самоблокирующийся дифференциал обеспечивает автоматическую блокировку в зависимости от разности крутящих моментов на корпусе и полуоси (приводном вале). При проскальзывании колеса, сопровождаемом падением крутящего момента, червячный дифференциал блокируется и перераспределяет крутящий момент на свободное колесо. Блокировка при этом частичная, а ее степень зависит от величины падения крутящего момента.

Известными конструкциями червячных дифференциалов являются дифференциал Torsen (от сокращенного Torque Sensing - чувствительный к крутящему моменту) и дифференциал Quaife. Конструкции данных дифференциалов представляют собой планетарный редуктор, состоящий из червячных шестерен: ведомых (полуосевых) и ведущих (сателлитов). Сателлиты могут располагаться параллельно полуосям (Quaife, Torsen Т-2) или перпендикулярно полуосям (Torsen Т-1).

Схема дифференциала Torsen

Особенностью червячной шестерни является то, что она может приводить во вращение другие шестерни, а сама не может вращаться от других шестерен. При этом говорят, червячная шестерня расклинивается. Данное свойство используется для частичной блокировки червячного дифференциала.

Червячные самоблокирующиеся дифференциалы широко применяются как в качестве межколесных, так и межосевых дифференциалов

Сцепление

Сцепление является важным конструктивным элементомтрансмиссии автомобиля. Сцепление предназначено для кратковременного отсоединения двигателя от трансмиссии и плавного их соединения при переключении передач, а также предохранения элементов трансмиссии от перегрузок и гашения колебаний. Сцепление автомобиля располагается между двигателем и коробкой передач.

В зависимости от конструкции различают следующие типы сцепления:

  1.  фрикционное сцепление;
  2.  гидравлическое сцепление;
  3.  электромагнитное сцепление.

Фрикционное сцепление передает крутящий момент за счет сил трения. В гидравлическом сцеплении связь обеспечивается за счет потока жидкости. Электромагнитное сцепление управляется магнитным полем.

Самым распространенным типом сцепления является фрикционное сцепление. Различает следующие виды фрикционного сцепления:

  1.  однодисковое сцепление;
  2.  двухдисковое сцепление;
  3.  многодисковое сцепление.

В зависимости от состояния поверхности трения сцепление может быть сухое и мокрое. В сухом сцеплении используется сухое трение между дисками. Мокрое сцепление предполагает работы дисков в жидкости.

На современных автомобилях устанавливается в основном сухое однодисковое сцепление. Однодисковое сцепление имеет следующее устройство:

  1.  маховик;
  2.  картер сцепления;
  3.  нажимной диск;
  4.  ведомый диск;
  5.  диафрагменная пружина;
  6.  подшипник выключения сцепления;
  7.  муфта выключения;
  8.  вилка сцепления.

Схема однодискового сцепления

Маховик устанавливается на коленчатом вале двигателя. Он выполняет роль ведущего диска сцепления. На современных автомобилях применяется, как правило, двухмассовый маховик. Такой маховик состоит из двух частей, соединенных пружинами. Одна часть соединена с коленчатым валом, другая - с ведомым диском. Конструкция двухмассового маховика обеспечивает сглаживание рывков и вибраций коленчатого вала. Вкартере сцепления размещаются конструктивные элементы сцепления. Картер сцепления крепиться болтами к двигателю.

Нажимной диск прижимает ведомый диск к маховику и при необходимости освобождает его от давления. Нажимной диск соединен с корпусом (кожухом) с помощью тангенциальных пластинчатых пружин. Тангенциальные пружины, при выключении сцепления, выполняют роль возвратных пружин.

На нажимной диск воздействует диафрагменная пружина, обеспечивающая необходимое усилие сжатия для передачи крутящего момента. Диафрагменная пружина наружным диаметром опирается на края нажимного диска. Внутренний диаметр пружины представлен упругими металлическими лепестками, на концы которых воздействует подшипник выключения сцепления. Диафрагменная пружина закреплена в корпусе. Для закрепления используются распорные болты или опорные кольца.

Нажимной диск, диафрагменная пружина и корпус образуют единый конструктивный блок, который носит устоявшееся названиекорзина сцепления. Корзина сцепления имеет жесткое болтовое соединение с маховиком. По характеру работы различают два типа корзин сцепления - нажимного и вытяжного действия. В распространенной корзине сцепления нажимного действия лепестки диафрагменной пружины при выключении сцепления перемещаются к маховику. В вытяжной корзине сцепления наоборот - лепестки диафрагменной пружины перемещаются от маховика. Данный тип корзины сцепления характеризуется минимальной толщиной, поэтому применяется в стесненных условиях.

Ведомый диск располагается между маховиком и нажимным диском. Ступица ведомого диска соединяется шлицами с первичным валом коробки передач и может перемещаться по ним. Для обеспечения плавности включения сцепления в ступице ведомого диска размещены демпферные пружины, выполняющие роль гасителя крутильных колебаний.

На ведомом диске с двух сторон установлены фрикционные накладки. Накладки изготавливаются из стеклянных волокон, медной и латунной проволоки, которые запрессованы в смесь из смолы и каучука. Такой состав может кратковременно выдерживать температуру до 400°С. Накладки ведомого диска могут иметь и более высокую тепловую характеристику. На спортивных автомобилях устанавливают т.н. керамическое сцепление, накладки ведомого диска которого состоят из керамики, кевлара и углеродного волокна. Еще более прочные металлокерамические накладки, выдерживающие температуру до 600°С.

Подшипник выключения сцепления (обиходное название -выжимной подшипник) является передаточным устройством между сцеплением и приводом. Он располагается на оси вращения сцепления и непосредственно воздействует на лепестки диафрагменной пружины. Подшипник располагается на муфте выключения. Перемещение муфты с подшипником обеспечиваетвилка сцепления.

Схема двухдискового сцепления

На грузовых и легковых автомобилях с мощным двигателем применяетсядвухдисковое сцепление. Двухдисковое сцепление осуществляет передачу большего крутящего момента при неизменном размере, а также обеспечивает больший ресурс конструкции. Это достигнуто за счет применения двух ведомых дисков, между которыми установлена проставка. В результате получены четыре поверхности трения.

Принцип работы сцепления

Однодисковое сухое сцепление постоянно включено. Работу сцепления обеспечивает привод сцепления.

При нажатии на педаль сцепления привод сцепления перемещает вилку сцепления, которая воздействует на подшипник сцепления. Подшипник нажимает на лепестки диафрагменной пружины нажимного диска. Лепестки диафрагменной пружины прогибаются в сторону маховика, а наружный край пружина отходит от нажимного диска, освобождая его. При этом тангенциальные пружины отжимают нажимной диск. Передача крутящего момента от двигателя к коробке передач прекращается.

При отпускании педали сцепления диафрагменная пружина приводит нажимной диск в контакт с ведомым диском и через него в контакт с маховиком. Крутящий момент за счет сил трения передается от двигателя к коробке передач.

Привод сцепления

Привод сцепления предназначен для обеспечения выключения сцепления, а именно отжимания диафрагменной пружины. На современных автомобилях применяются приводы сцепления следующих видов:

  1.  механический привод;
  2.  гидравлический привод;
  3.  электрогидравлический привод.

Наибольшее применение в автомобиле нашли механический и гидравлический приводы сцепления. Электрогидравлический привод используется для автоматизации управления сцеплением вроботизированной коробке передач, например, в коробке передач Easytronic.

Механический привод сцепления

Механический привод используется в качестве привода сцепления небольших легковых автомобилей. Данный вид привода отличает простота конструкции и невысокая стоимость.

Механический привод сцепления имеет следующее устройство:

  1.  педаль сцепления;
  2.  трос привода сцепления;
  3.  механизм регулирования свободного хода педали сцепления;
  4.  рычажная передача.

Схема механического привода сцепления

Основным конструктивным элементом механического привода сцепления является трос, который соединяет педаль сцепления с вилкой выключения. Трос заключен в оболочку. При нажатии на педаль сцепления усилие через трос передается на рычажную передачу, которая в свою очередь перемещает вилку сцепления и обеспечивает выключение сцепления.

В системе предусмотрен механизм регулирования свободного хода педали сцепления, включающий регулировочную гайку на конце троса. Необходимость регулировки обусловлена постепенным изменением положения педали сцепления вследствие износа фрикционных накладок.

Гидравлический привод сцепления

Гидравлический привод сцепления по конструкции аналогичен гидравлическому приводу тормозной системы. В нем используется свойство несжимаемости жидкости. В качестве рабочей жидкости применяется тормозная жидкость.

Гидравлический привод сцепления имеет следующее устройство:

  1.  педаль сцепления;
  2.  главный цилиндр привода сцепления;
  3.  бачек рабочей жидкости;
  4.  рабочий цилиндр привода сцепления;
  5.  соединительные трубопроводы.

Схема гидравлического привода сцепления

Конструктивно главный и рабочий цилиндры состоят из поршня с толкателем, размещенных в корпусе. При нажатии на педаль сцепления толкатель перемещает поршень главного цилиндра, происходит отсечка рабочей жидкости от бачка. При дальнейшем движении поршня рабочая жидкость по трубопроводу поступает в рабочий цилиндр. Под воздействием жидкости происходит движение поршня с толкателем. Толкатель воздействует на вилку сцепления и обеспечивает выключение сцепления.

Для удаления воздуха из системы гидропривода сцепления (прокачки системы) на главном и рабочем цилиндрах установлены специальные клапаны (штуцеры).

Для облегчения управления на некоторых моделях автомобилей используются пневматический или вакуумный усилитель привода сцепления.

Двойное сцепление

Большинство современных роботизированных коробок передач оборудованы двойным сцеплением. Данное устройство, помимо традиционных функций сцепления, обеспечивает предварительный выбор очередной передачи при включенной другой передаче за счет поочередной работы двух фрикционных муфт. При этом крутящий момент от двигателя на ведущие колеса передается непрерывно.

В роботизированной коробке передач с двойным сцеплением для четных и нечетных передач используется отдельное сцепление. По своей сути это две отдельные коробки передач, находящиеся в одном корпусе и работающие как единое целое.

Применение двойного сцепления в конструкции коробок передач началось с 1980 года благодаря разработкам Porsche и Audi для своих спортивных автомобилей. В настоящее время двойное сцепление используется в следующих конструкциях коробок передач:

  1.  DSG от Volkswagen;
  2.  M DCT от BMW;
  3.  Powershift от Ford;
  4.  Speedshift от Mercedes-Benz;
  5.  S-Tronic от Audi;
  6.  Twin Clutch SST от Mitsubishi;
  7.  7DT от Porsche.

Ввиду высокой технической сложности производителей двойного сцепления не так много, в том числе:

  1.  BorgWarner («мокрое» сцепление для Volkswagen);
  2.  Getrag (коробки передач с двойным сцеплением для BMW, Chrysler, Dodge, Ferrari, Ford, Mercedes-Benz, Mitsubishi, Renault, Volvo);
  3.  Luk («сухое» сцепление для Volkswagen);
  4.  Ricardo (коробка передач для Bugatti Veyron);
  5.  ZF (коробка передач для Porsche).

Ряд автомобильных компаний в конструкции своих коробок используют компоненты разных производителей, например, в M DCT от BMW используется коробка передач от Getrag, а двойное сцепление от BorgWarner.

Различают два типа двойного сцепления:

  1.  «сухое» (фрикционные диски в воздухе);
  2.  «мокрое» (фрикционные диски в масле).

«Мокрое» сцепление имеет лучшее охлаждение, поэтому может применяться для передачи большего крутящего момента (до 350 нм и более). Например, «мокрое» сцепление в коробке передач Bugatti Veyron обеспечивает передачу крутящего момента 1250 нм. Предел «сухого» сцепления – 250 нм. Вместе с тем, «сухое» сцепление более эффективно в эксплуатации, т.к. в нем отсутствуют потери мощности двигателя на привод масляного насоса.

Схема двойного сцепления

Конструктивно двойное сцепление объединяет два пакета фрикционных дисков, размещенных в корпусе. Часть дисков обоих пакетов жестко соединено с корпусом сцепления. Корпус, в свою очередь, через ступицы соединен с двигателем. Другая часть дисков закреплена на своих ступицах, которые посажены на первичные валы соответствующих рядов передач.

Нормальное положение сцепления – разомкнутое. Замыкание сцепления (сжатие пакетов дисков) производится с помощью гидроцилиндров под управлением электрогидравлического модуля. В исходное положение диски возвращаются с помощью пружин.

В зависимости от конструкции сцепления пакеты фрикционных дисков могут иметь:

  1.  концентрическое расположение (муфты расположены в одной плоскости, перпендикулярно первичному валу);
  2.  параллельное расположение (муфты расположены друг за другом параллельно).

Концентрическое расположение муфт более компактное, поэтому применяется в трансмиссии переднеприводных автомобилей (поперечное расположение двигателя). При концентрическом расположении внешняя муфта обслуживает нечетные передачи, внутренняя – четные передачи. В силу своей конструкции (большая площадь дисков) внешняя муфта рассчитана на передачу большего крутящего момента. Двойное сцепление с параллельным расположением дисков применяется, в основном, на заднеприводных автомобилях.

Саморегулирующееся сцепление

Эксплуатация сцепления сопровождается износом накладок ведомого диска, вследствие чего нажимной диск смещается в направлении маховика, а «лепестки» диафрагменной пружины – в противоположную сторону. Все это приводит к увеличению выжимного усилия, усилия на педали сцепления и изменению ее положения.

В 1995 году компания Luk предложила систему автоматической компенсации износа накладок ведомого диска, которая получила название саморегулирующееся сцепление (Self-Adjusting Clutch, SAC). В настоящее время разработаны и активно используются различные конструкции саморегулирующегося сцепления:

  1.  сцепление SAC от Luk;
  2.  сцепление XTend от ZF Sachs;
  3.  сцепление SAT от Valeo.

Все конструкции обладают в основном схожими функциями. Помимо компенсации износа, саморегулирующееся сцепление обеспечивает снижение и постоянство выжимного усилия. Все это значительно повышает срок службы сцепления и позволяет использовать его в трансмиссиях различных автомобилей, в т.ч. с мощными двигателями. Саморегулирующееся сцепление используется в ряде конструкций роботизированной коробкой передач, например, в коробке передач Easytronic.

Схема саморегулирующегося сцепления SAC

Саморегулирующееся сцепление SAC включает диафрагменную пружину, которая опирается на сенсорную диафрагменную пружину. Сенсорная пружина по окружности имеет множество коротких «лепестков». Над диафрагменной пружиной располагается регулировочное кольцо, которое имеет двенадцать клиньев и закреплено в корпусе с помощью трех пружин.

В отличие от диафрагменной пружины сенсорная пружина имеет постоянную силовую характеристику, величина которой соответствует усилию срабатывания нового сцепления (с целыми накладками ведомого диска). По мере износа накладок, нажимное усилие на сенсорную диафрагменную пружину увеличивается, ее «лепестки» прогибаются. Регулировочное кольцо под действием пружин проворачивается и за счет клиньев компенсирует возникающий зазор.

Схема саморегулирующегося сцепления XTend

Механизм компенсации износасаморегулирующегося сцепления XTend имеет иную конструкцию. Он расположен между диафрагменной пружиной и нажимным диском и включает два установочных кольца, пружинную защелку и ограничитель на корпусе сцепления. Кольца установлены друг на друга и соединены с корпусом пружиной натяжения. По окружности колец выполнено несколько клиновидных ползунов, которые закреплены пружиной растяжения.

Ограничитель на корпусе сцепления фиксирует износ накладок ведомого диска. Пружинная защелка перемещается над кольцами на величину износа до ограничителя. Верхнее установочное кольцо за счет пружины растяжения перемещается по клиновидному ползуну. Пружинная защелка фиксируется в приподнятом положении. При выключении сцепления нижнее установочное кольцо за счет пружины натяжения проворачивается и фиксирует верхнее кольцо. Таким образом, компенсируется величина износа, а диафрагменная пружина остается в неизменном положении.

Саморегулирующееся сцепление SAT (Self-Adjusting Technology) обеспечивает автоматическую компенсацию износа накладок ведомого диска с помощью уникального храпового механизма. Между диафрагменной пружиной и нажимным диском располагается опорное кольцо конической формы. При возникновении износа кольцо проворачивается по конической поверхности. На кольце закреплен зубчатый сектор, который вращает червяк. На одной оси с червяком расположено храповое колесо. Фиксацию колеса осуществляет собачка, за счет чего фиксируется положение опорного кольца и соответственно компенсируется износ накладок.

Электронное сцепление

Механическая коробка передач является самым распространенным видом трансмиссии легкового автомобиля в Европе, поэтому постоянно проводятся работы по ее совершенствованию. Одной из таких разработок является электронное сцепление. Впервые физическая (трос, гидравлика) связь между педалью и приводом сцепления разорвана и заменена электронной системой.

Electronic Clutch System (eCS) является перспективной разработкой компании Bosch. Как заявляет производитель, электронное сцепление вплотную приближает механическую коробку передач к коробке-автомату. В отличие отроботизированной коробки передач в системе eClutchавтоматизирован только привод сцепления. Данное нововведение существенно упрощает процесс управления механической коробкой передач, позволяет экономить топливо. Кроме того электронное сцепление открывает новые возможности по использованию механической коробки передач на гибридных автомобилях.

К большому сожалению информации о конструкции системы eClutch пока немного. Как всякая электронная система управления электронное сцепление объединяет входные устройства, электронный блок управления и исполнительный механизм. К входным устройствам относятся блок педали сцепления и ряд входных датчиков. Производитель сообщает только о двух датчиках: датчике положения педали газа и датчике положения рычага коробки передач. На самом деле датчиков должно быть больше.

Система электронного сцепления имеет собственный блок управления, который принимает и обрабатывает сигналы входных устройств, управляет исполнительным механизмом. В своей работе блок управления взаимодействует ссистемой управления двигателем. Исполнительный механизм представленэлектрогидравлическим актуатором (приводом), осуществляющим по команде блока управления перемещение вилки сцепления.

С помощью системы электронного сцепления реализовано несколько функций:

  1.  движение в режиме частых троганий и остановок;
  2.  плавное переключение передач;
  3.  управляемое движение накатом;
  4.  расширение возможностей системы Стоп-старт.

Самой важной функцией является движение в режиме частых троганий и остановок. Данный режим характерен для городских «пробок» и позволяет автомобилю двигаться на первой передаче без использования педали сцепления. При снятии ноги с педали газа система автоматически размыкает сцепление. При дальнейшем торможении двигатель не глохнет, т.к. отсоединен от трансмиссии. Трогание с места происходит при освобождении педали тормоза. Все как в автоматической коробке передач, только на первой передаче.

Электронное сцепление обеспечивает плавное переключение (синхронизацию) всех передач. Специальный датчик определяет момент перехода с одной передачи на другую. На основании сигнала датчика электронное сцепление при помощи системы управления двигателем увеличивает или уменьшает обороты двигателя, чем достигается плавное переключение передач.

Две оставшиеся функции электронного сцепления направлены на экономию топлива, которая по заявлению производителя может достигать 10 процентов. Функция движения накатом позволяет исключить торможение двигателем и использовать в полной мере движение автомобиля по инерции, т.н. регулируемый выбег. Данная функция особенно актуальна при движении под уклон. В техническом плане все просто - при снятии ноги с педали газа система eClutch выключает сцепление и автомобиль движется накатом.

На автомобилях, оборудованных системой Стоп-старт, электронное сцепление позволяет добиться дополнительной экономии топлива. Теперь при снятии ноги с педали газа на первой передаче происходит не только отсоединение двигателя от трансмиссии, а еще и его выключение. К своей полной остановке автомобиль приходит уже с выключенным двигателем. Тем самым увеличивается нерабочее время двигателя, а значит, экономится топливо.

Коробка передач

Коробка передач является важным конструктивным элементом трансмиссии автомобиля. Коробка передач предназначена для изменения крутящего момента, скорости и направления движения автомобиля, а также длительного разъединения двигателя от трансмиссии.

В зависимости от принципа действия различают следующие типы коробок передач:

  1.  ступенчатые;
  2.  бесступенчатые;
  3.  комбинированные.

Тип коробки передач во многом определяет тип трансмиссии автомобиля.

В ступенчатых коробках передач крутящий момент изменяется ступенчато. К ним относятся:

  1.  механическая коробка переключения передач;
  2.  роботизированная коробка передач .

Механическая коробка передач (сокращенное наименование – МКПП, обиходное название - механика) представляет собой многоступенчатый цилиндрический редуктор, в котором предусмотрено ручное переключение передач. В зависимости от числа ступеней различают четырехступенчатую, пятиступенчатую, шестиступенчатую, семиступенчатую и более коробки передач.

Основными преимуществами механической коробки передач являются простота конструкции, надежность, возможность ручного управления во всех режимах движения. Благодаря этим качествам МКПП является самым распространенным типом коробки передач. Вместе с тем, все больше потребителей в последние годы выбирают коробки с автоматическим управлением.

Роботизированная коробка передач (другое наименование – автоматизированная коробка передач, обиходное название - робот) представляет собой механическую коробку передач, в которой автоматизированы функции выключения сцепления и переключения передач. Современные роботы имеют двойное сцепление, которое обеспечивает передачу крутящего момента без разрыва потока мощности.

Применение роботизированной коробки передач с двойным сцеплением обеспечивает снижение расхода топлива, высокую разгонную динамику. Благодаря данным качествам, популярность роботов стремительно растет. В настоящее время преселективные коробки передач устанавливаются как на бюджетные автомобили (Volkswagen, Ford), так и автомобили премиум класса (Bentley, Porsche). Известными конструкциями роботизированных коробок передач являются коробки передач DSG (Direct Shift Gearbox), SMG (Sequential M Gearbox), Изитроник.

К бесступенчатым коробкам передач относится вариатор (обиходное название вариаторная коробка передач). В отличие от ступенчатых коробок, передаточное число в вариаторах изменяется плавно. Это достигается за счет гидравлического или механического преобразования крутящего момента.

Благодаря своей конструкции вариатор обеспечивает оптимальные динамические характеристики автомобиля. С другой стороны вариаторная коробка передач имеет ограничения по величине передающего крутящего момента. Отдельные конструкции имеют нарекания в плане надежности и ресурса. Вариаторы используют, в сновном японские автомобильные компании (Nissan, Honda, Subaru), из европейских - Audi. Известными конструкциями вариаторов являются Мультитроник, Экстроид.

Комбинированный принцип действия используется в автоматической коробке переключения передач (сокращенное наименование – АКПП, обиходное название – коробка-автомат). Классическаяавтоматическая коробка передачвключает гидротрансформатор (заменяющий сцепление и обеспечивающий безступенчатое регулирование крутящего момента) и механическую коробку передач (обычно планетарный редуктор). Современные автоматы имеют семь (7G-Tronic) и даже восемь ступеней передач.

Коробка-автомат обеспечивает плавное переключение передач и высокую надежность работы. При этом АКПП имеет повышенный расход топлива и низкую разгонную динамику. В ряде конструкций автоматической коробки передач предусмотрена имитация ручного переключения передач Типтроник, Стептроник.

В настоящее время термином "автоматическая коробка передач" обозначаются не только классическая гидротрансформаторная коробка, а также роботизированная коробка передач и вариатор. Все они имеют электронное управление.

Разновидностью автоматической коробки передач является т.н.адаптивная коробка передач, учитывающая стиль вождения конкретного человека.

Механическая коробка передач

Механическая коробка передач (сокращенное название МКПП) пока остается самым распространенным устройством, изменяющим крутящий момент двигателя. Свое название коробка получила от механического (ручного) способа переключения передач.

Механическая коробка передач относится к ступенчатым коробкам, т.е. крутящий момент в ней изменяются ступенями. Ступенью(или передачей) называется пара взаимодействующих шестерен. Каждая из ступеней обеспечивает вращение с определенной угловой скоростью или, другими словами, имеет свое передаточное число.

Передаточным числом называется отношение числа зубьев ведомой шестерни к числу зубьев ведущей шестерни. Разные ступени коробки передач имеют разные передаточные числа. Низшая ступень имеет наибольшее передаточное число, высшая ступень – наименьшее.

В зависимости от числа ступеней различают следующие конструкции:

  1.  четырехступенчатая коробка передач;
  2.  пятиступенчатая коробка передач;
  3.  шестиступенчатая коробка передач;
  4.  и выше.

Наибольшее распространение на современных автомобилях получилапятиступенчатая коробка передач.

Из всего многообразия конструкций МКПП можно выделить коробки двух основных видов:

  1.  трехвальная коробка передач;
  2.  двухвальная коробка передач.

Трехвальная коробка передач устанавливается, как правило, на заднеприводные автомобили. Двухвальная механическая коробка передач применяется на переднеприводных легковых автомобилях. Устройство и принцип работы данных коробок передач имеют существенные различия, поэтому они рассмотрены отдельно.

Устройство трехвальной механической коробка передач

Трехвальная коробка передач имеет следующее устройство:

  1.  ведущий (первичный) вал;
  2.  шестерня ведущего вала;
  3.  промежуточный вал;
  4.  блок шестерен промежуточного вала;
  5.  ведомый (вторичный) вал;
  6.  блок шестерен ведомого вала;
  7.  синхронизаторы;
  8.  механизм переключения передач;
  9.  картер (корпус) коробки передач.

Схема трехвальной механической коробки передач

Ведущий вал обеспечивает соединение со сцеплением. На валу имеются шлицы для ведомого диска сцепления. Крутящий момент от ведущего вала передается через соответствующую шестерню, находящуюся с ним в жестком зацеплении.

Промежуточный вал расположен параллельно первичному валу. На валу располагается блок шестерен, находящийся с ним в жестком зацеплении.

Ведомый вал расположен на одной оси с ведущим. Технически это осуществляется за счет торцевого подшипника на ведущем валу, в который входит ведомый вал. Блок шестерен ведомого вала не имеет закрепления с валом и поэтому свободно вращается на нем. Блок шестерен промежуточного и ведомого вала, а также шестерня ведущего вала находятся в постоянном зацеплении.

Между шестернями ведомого вала располагаются синронизаторы(другое название - муфты синхронизаторов). Работа синхронизаторов основана на выравнивании (синхронизации) угловых скоростей шестерен ведомого вала с угловой скоростью самого вала за счет сил трения. Синхронизаторы имеют жесткое зацепление с ведомым валом и могут двигаться по нему в продольном направлении за счет шлицевого соединения. На современных коробках передач синхронизаторы устанавливаются на всех передачах.

Механизм переключения трехвальной коробки передач обычно располагается непосредственно на корпусе коробки. Конструктивно он состоит из рычага управления и ползунов с вилками. Для предотвращения одновременного включения двух передач механизм оснащен блокирующим устройством. Механизм переключения передач может также иметь дистанционное управление.

Картер коробки передач служит для размещения конструктивных частей и механизмов, а также для хранения масла. Картер изготавливается из алюминиевого или магниевого сплава.

Принцип работы трехвальной механической коробки передач

При нейтральном положении рычага управления крутящий момент от двигателя на ведущие колеса не передается. При перемещении рычага управления, соответствующая вилка перемещает муфту синхронизатора. Муфта обеспечивает синхронизацию угловых скоростей соответствующей шестерни и ведомого вала. После этого, зубчаты венец муфты заходит в зацепление с зубчатым венцом шестерни и обеспечивается блокировка шестерни на ведомом валу. Коробка передач осуществляет передачу крутящего момента от двигателя на ведущие колеса с заданным передаточным числом.

Движение задним ходом обеспечивается соответствующей передачей коробки. Изменение направления вращения осуществляется за счет промежуточной шестерни заднего хода, устанавливаемой на отдельной оси.

Устройство двухвальной механической коробки передач

Двухвальная коробка передач имеет следующее устройство:

  1.  ведущий (первичный) вал;
  2.  блок шестерен ведущего вала;
  3.  ведомый (вторичный) вал;
  4.  блок шестерен ведомого вала;
  5.  муфты синхронизаторов;
  6.  главная передача;
  7.  дифференциал;
  8.  механизм переключения передач;
  9.  картер коробки передач.

Схема двухвальной механической коробки передач

Ведущий вал, также как и в трехвальной коробке, обеспечивает соединение со сцеплением. На валу жестко закреплен блок шестерен.

Параллельно ведущему валу расположен ведомый вал с блоком шестерен. Шестерни ведомого вала находятся в постоянном зацеплении с шестернями ведущего вала и свободно вращаются на валу. На ведомом валу жестко закреплена ведущая шестерня главной передачи. Между шестернями ведомого вала установлены муфты синхронизаторов.

С целью уменьшения линейных размеров, увеличения числа ступеней в ряде конструкций коробок передач вместо одного ведомого вала устанавливаются два и даже три ведомых вала. На каждом из валов жестко закреплена шестерня главной передачи, которая находится в зацеплении с одной ведомой шестерней - по сути три главных передачи.

Главная передачаидифференциал передают крутящий момент от вторичного вала коробки к ведущим колесам автомобиля. Дифференциал при необходимости обеспечивает вращение колес с разной угловой скоростью.

Механизм переключения передач двухвальной коробки, как правило, дистанционного действия, т.е. расположен отдельно от корпуса коробки. Связь между коробкой и механизмом может осуществляться с помощью тяг или тросов. Наиболее простым является тросовое соединение, поэтому оно чаще используется в механизмах переключения.

Механизм переключения передач двухвальной коробки имеет следующее устройство:

  1.  рычаг управления;
  2.  трос выбора передач;
  3.  рычаг выбора передач;
  4.  трос включения передач;
  5.  рычаг включения передач;
  6.  центральный шток переключения передач с вилками;
  7.  блокирующее устройство.

Под выбором передачи понимается поперечное движение рычага управления относительно оси автомобиля (движение к паре передач), под включением передачи – продольное движение рычага (движение к конкретной передаче).

Принцип работы двухвальной механической коробки передач

Принцип работы аналогичен трехвальной коробке. Основное отличие заключается в особенностях работы механизма переключения передач.

Движение рычага управления при включении конкретной передачи разделяется на поперечное и продольное. При поперечном движении рычага управления усилие передается на трос выбора передач. Тот, в свою очередь, воздействует на рычаг выбора передач. Рычаг осуществляет поворот центрального штока вокруг оси и, тем самым, обеспечивает выбор передач.

При дальнейшем продольном движении рычага усилие передается на трос переключения передач и далее на рычаг переключения передач. Рычаг производит горизонтальное перемещение штока с вилками. Соответствующая вилка на штоке перемещает муфту синхронизатора и осуществляет блокирование шестерни ведомого вала. Крутящий момент от двигателя передается на ведущие колеса.

Синхронизатор коробки передач

Все современные механические коробки передач, а такжероботизированные коробки передач являются синхронизированными. В таких коробках для того, чтобы включить передачу, производится выравнивание частоты вращения вала и шестерни. Синхронизацию обеспечивает одноименное устройство – синхронизатор. Помимо плавного переключения передач синхронизатор снижает износ механического соединения, шум при переключении и, тем самым, увеличивает срок службы коробки передач.

Синхронизаторами оборудуются все передачи коробки передач легкового автомобиля, в том числе передача заднего хода. Принцип действия синхронизатора основан на использовании сил трения при выравнивании скоростей. Чем выше разница в частотах вращения вала и шестерни, тем больше должна быть величина силы трения для их синхронизации. Выполнение данного условия достигается путем увеличения площади поверхности соприкосновения – установкой дополнительных фрикционных колец.

Устройство синхронизатора

Синхронизатор коробки передач имеет следующее общее устройство:

  1.  ступица с сухарями;
  2.  муфта включения;
  3.  блокирующее кольцо;
  4.  шестерня с фрикционным конусом.

В конструкции коробки передач один синхронизатор обслуживает две передачи (шестерни).

Схема синхронизатора

Конструктивной основой синхронизатора является ступица. Она имеет внутренние и наружные шлицы. С помощью внутренних шлицев ступица соединяется с вторичным валом коробки передач и имеет возможность осевого перемещения по нему в разные стороны. Наружные шлицы соединяют ступицу с муфтой включения.

По окружности ступицы под углом 120° выполнены три паза, в которые установлены подпружиненные сухари. В синхронизаторе сухари нажимают на блокирующее кольцо при включении передачи и способствуют блокировке муфты на этапе синхронизации.

Муфта включения (другое название – муфта синхронизатора) обеспечивает жесткое соединение вала и шестерни. Муфта насажена на ступицу и имеет внутренние шлицы. На шлицах выполнена кольцевая проточка, в которой размещаются выступы сухарей. Снаружи муфта синхронизатора соединяется с вилкой коробки передач.

Блокирующее кольцо обеспечивает синхронизацию и препятствует замыканию муфты до момента выравнивания скоростей вала и шестерни. С внутренней стороны блокирующее кольцо имеет коническую поверхность, которая взаимодействует с фрикционным конусом шестерни. Снаружи блокирующее кольцо имеет шлицы, с помощью которых производится блокировка муфты включения.

На торцевой поверхности блокирующего кольца со стороны ступицы выполнено три паза, в которые входят сухари ступицы. Пазы препятствуют прокручиванию кольца при соприкосновении с фрикционным конусом (в них упираются сухари). Размер пазов в 1,5 раза превышает размер сухарей. В некоторых конструкциях синхронизаторов, наоборот, на блокирующем кольце выполнены выступы, а пазы - в ступице.

Для увеличения поверхности соприкосновения, снижения усилия при переключении передач применяются многоконусные синхронизаторы: двухконусный, трехконусный. Например, в трехконусном синхронизаторе помимо блокирующего (наружного) кольца устанавливается еще внутреннее и промежуточное кольца. Для предотвращения проворачивания на кольцах выполнены выступы, которые фиксируются в пазах шестерни и блокирующего кольца.

Таким образом, в трехконусном синхронизаторе созданы три поверхности трения: между конусом шестерни и внутренним кольцом, между внутренним и промежуточным кольцом, между промежуточным и блокирующим кольцом. В зависимости от конструкции в одной коробке передач могут устанавливаться синхронизаторы с различным числом конусов.

Работа синхронизатора

Схема работы синхронизатора

В нейтральном положении рычага коробки передач муфты синхронизаторов находятся в среднем положении, шестерни на ведомом валу вращаются свободно, поток мощности не передается.

При включении передачи вилка перемещает муфту синхронизатора из среднего положения в направлении шестерни. Вместе с муфтой сдвигаются сухари, которые воздействуют на блокирующее кольцо. Кольцо прижимается к конусу шестерни. На поверхности возникает сила трения, которая поворачивает кольцо до упора сухарей в пазах кольца (кольцо стопорится от проворачивания). В этом положении блокирующее кольцо препятствует дальнейшему продвижению муфты синхронизатора по оси вала, так как торцы шлицев блокирующего кольца располагаются напротив торцов шлицев муфты.

Далее под действием сил трения происходит синхронизация скоростей шестерни и ведомого вала. Когда скорости выравнены, под нажимом шлицев муфты блокирующее кольцо поворачивается в противоположную сторону, блокировка муфты снимается, шлицы муфты свободно проходят для зацепления с венцом шестерни. Происходит жесткое соединение вторичного вала коробки передач и шестерни.

Несмотря на множество операций, весь процесс синхронизации и включения передачи занимает доли секунды.

Автоматическая коробка передач

Автоматическая коробка передач (сокращенное название АКПП, обиходное название – коробка-автомат) является самым распространенным устройством изменения крутящего момента, применяемым в автоматической трансмиссии автомобиля. Традиционно автоматической называют гидромеханическую коробку передач.

Автоматическая коробка передач имеет следующее устройство:

  1.  гидротрансформатор;
  2.  механическая коробка передач;
  3.  насос рабочей жидкости;
  4.  система охлаждения рабочей жидкости;
  5.  система управления.

На коробках-автоматах, устанавливаемых на переднеприводные легковые автомобили, в конструкцию включены главная передача идифференциал.

Гидротрансформатор предназначен для передачи и изменения крутящего момента от двигателя к механической коробке передач, а также уменьшения вибраций. Конструкция гидротрансформатора включает:

  1.  насосное колесо;
  2.  турбинное колесо;
  3.  реакторное колесо;
  4.  блокировочная муфта;
  5.  муфта свободного хода;
  6.  корпус гидротрансформатора.

Насосное колесо соединено с коленчатым валом двигателя. Турбинное колесо связано с механической коробкой передач. Между насосным и турбинным колесами располагается неподвижное реакторное колесо. Все колеса гидротрансформатора оснащены лопастями определенной формы, между которыми предусмотрены каналы для прохода рабочей жидкости.

Блокировочная муфтаслужит для блокировки гидротрансформатора в определенных режимах работы автомобиля.Муфта свободного хода (другое название - обгонная муфта) обеспечивает вращение жестко закрепленного реакторного колеса в противоположную сторону.

Все конструктивные элементы гидротрансформатора расположены в корпусе, который заполнен специальной рабочей жидкостью ATF (Automatic Transmissions Fluid).

Работа гидротрансформатора осуществляется по замкнутому циклу. От насосного колеса поток жидкости передается на турбинное колесо, далее на реакторное колесо. За счет конструкции лопастей реактора скорость потока усиливается. Поток направляется на насосное колесо и заставляет его вращаться быстрее, тем самым увеличивается величина крутящего момента. Максимальную величину крутящего момента гидротрансформатор развивает на минимальной скорости.

С увеличением частоты вращения коленчатого вала двигателя, угловые скорости насосного и турбинного колес выравниваются, а поток жидкости меняет свое направление. При этом срабатывает муфта свободного хода и реакторное колесо начинает вращаться. Гидротрансформатор работает в режиме гидромуфты (передает только крутящий момент).

C дальнейшим ростом скорости происходит блокировка гидротрансформатора, при которой замыкается блокирующая муфта, и передача крутящего момента от двигателя к механической коробке передач происходит напрямую. Гидротрансформатор блокируется практически на всех передачах.

В современных автоматических коробках режим с проскальзывающей муфтой блокировки гидротрансформатора, который предшествует полной блокировке. Режим реализуется при определенных условиях (скорость, нагрузка) во время разгона автомобиля и позволяет снизить расход топлива, обеспечить комфорт при переключении передач.

Механическая коробка передач в составе АКПП служит для ступенчатого изменения крутящего момента, а также обеспечивает движение автомобиля задним ходом. На автоматических коробках, как правило, применяются планетарные редукторы, отличающиеся компактностью и возможностью соосной работы. Механическая коробка передач состоит из нескольких (обычно двух) планетарных редукторов, соединенных последовательно для совместной работы. Объединение планетарных редукторов позволяет обеспечить необходимое число ступеней работы. Современные автоматические коробки выполняются шестиступенчатыми, семиступенчатыми, восьмиступенчатыми (Audi, Bentley, BMW, Chrysler, Jaguar, Lexus) и даже девятиступенчатыми (Mercedes, Land Rover).

Планетарный редуктор в коробке передач имеет названиепланетарный ряд. Планетарный ряд имеет следующее устройство:

  1.  солнечная шестерня;
  2.  сателлиты;
  3.  коронная шестерня;
  4.  водило.

Схема автоматической коробки передач

Изменение крутящего момента и передача вращения производится при условии блокировки одного или двух элементов планетарного ряда (солнечной шестерни, коронной шестерни, водила). Блокировка коронной шестерни планетарного ряда приводит к увеличению передаточного отношения. Неподвижная солнечная шестерня, наоборот, уменьшает передаточное отношение. Блокировка водило приводит к смене направления вращения.

Блокировку осуществляют соответствующие фрикционные муфты и тормоза (обходное название - фрикционы). Муфта блокирует элементы планетарного ряда между собой. Тормоз удерживает конкретные элементы редуктора за счет соединения с корпусом коробки. В различных конструкциях АКПП используются многодисковые или ленточные тормоза.

Муфты и тормоза замыкаются с помощью гидроцилиндров, которые управляются из распределительного модуля. В конструкции коробки может применяться обгонная муфта, которая удерживает водило от вращения в противоположную сторону.

Таким образом, механизмами переключения передач в автоматической коробке являются фрикционные муфты и тормоза. Работа АКПП заключается в выполнении определенного алгоритма включения и выключения муфт и тормозов.

Циркуляцию рабочей жидкости в автоматической коробке передач осуществляет шестеренный насос с внутренним зацеплением шестерен или лопастной насос. Насос приводится в действие от ступицы гидротрансформатора. Насос составляет основу гидравлической системы коробки передач, в которую кроме него входит гидравлический блок, гидроцилиндры привода муфт и тормозов, трубопроводы.

Охлаждение рабочей жидкости в АКПП производит соответствующая система. Рабочая жидкость может охлаждаться в охладителе (теплообменнике), включенном в систему охлаждения двигателя. Ряд конструкций коробок имеет отдельный радиатор рабочей жидкости.

На современных автоматических коробках передач применяетсяэлектронная система управления, которая включает следующие конструктивные элементы:

  1.  входные датчики;
  2.  электронный блок управления коробкой передач;
  3.  распределительный модуль;
  4.  рычаг селектора.

В системе применяются следующие датчики:

  1.  частоты вращения на входе коробки передач;
  2.  частоты вращения на выходе коробки передач;
  3.  температуры рабочей жидкости;
  4.  положения рычага селектора;
  5.  положения педали газа.

Электронный блок управлениякоробкой передач обрабатывает сигналы датчиков и формирует управляющие сигналы на исполнительные устройства распределительного модуля. В своей работе электронный блок реализует т.н. программу «нечеткой логики» (fuzzy logic), предусматривающую гибкий алгоритм определения точек перехода на высшую или низшую передачу. Блок управления коробкой передач взаимодействуют с блоком управления двигателем, входящим в систему управления двигателем.

Распределительный модуль (другое наименование - гидравлический блок) управляет потоками рабочей жидкости и обеспечивает срабатывание фрикционных муфт и тормозов. Он состоит из электромагнитных клапанов и золотников-распределителей с механическим приводом, соединенных каналами и помещенных в алюминиевый корпус.

Электромагнитные клапаны (не очень корректное обиходное название - соленоиды) используются для управления переключением передач (двухпозиционные клапаны) и регулирования давления жидкости (клапаны с широтно-импульсной модуляцией). Работой электромагнитных клапанов руководит электронный блок управления коробкой передач. Золотники-распределители обеспечивают выбор режимов работы и приводятся в действие от рычага селектора.

Непосредственное управление АКПП осуществляется рычагом селектора. Выбор нужного режима работы коробки производится перемещением рычага в определенное положение:

  1.  Р– режим парковки;
  2.  R – режим заднего хода;
  3.  N – нейтральный режим;
  4.  D – движение вперед в режиме автоматического переключения передач;
  5.  S – спортивный режим.

На отдельных коробках реализуется т.н. режим «кик-даун» (kick-down), предполагающий резкое ускорение автомобиля путем переключения на пониженную передачу. Необходимость ускорения определяется с помощью датчика положения педали газа.

Некоторые модели автоматических коробок оборудуются функцией ручного переключения передач, т.н. функция Типтроник (Tiptronic).

Роботизированная коробка передач

Роботизированная коробка передач (обиходное название –коробка-робот) представляет собой механическую коробку передач, в которой функции выключения сцепления и переключения передач автоматизированы. Название "роботизированная коробка передач" свидетельствует о том, что водитель и условия движения формируют только входную информацию для системы управления, а работой коробки передач руководит электронный блок с определенным алгоритмом управления.

Роботизированная коробка передач сочетает в себе комфорт автоматической коробки передач, надежность и топливную экономичность механической коробки передач. При этом «робот» в большинстве своем значительно дешевле классической АКПП. В настоящее время практически все ведущие автопроизводители оснащают свои автомобили роботизированными коробками передач, устанавливая их на всю линейку моделей от малого до премиум класса.

Устройство роботизированной коробки передач

Роботизированные коробки передач различаются по конструкции, вместе с тем, можно выделить следующее общее устройство роботизированной коробки передач:

  1.  сцепление;
  2.  механическая коробка передач;
  3.  привод сцепления и передач;
  4.  система управления.

В автоматизированных коробках передач используется сцепление фрикционного типа. Это может быть отдельный диск или пакет фрикционных дисков. Прогрессивным в конструкции коробки передач является т.н. двойное сцепление, которое обеспечивает передачу крутящего момента без разрыва потока мощности.

В основу конструкции роботизированной коробки положена механическая коробка передач. При производстве используются, в основном, готовые технические решения. Например, автоматизированная коробка передач Speedshift от Mercedes-Benz построена на базе АКПП 7G-Tronic путем замены гидротрансформатора на фрикционное многодисковое сцепление. В основе коробки SMG от BMW лежит шестиступенчатая «механика», оборудованная электрогидравлическим приводом сцепления.

Коробки-роботы могут иметьэлектрический или гидравлический привод сцепления и передач. В электрическом приводе исполнительными органами являются сервомеханизмы (электродвигатель и механическая передача). Гидравлический привод осуществляется с помощью гидроцилиндров, которые управляются электромагнитными клапанами. Такой вид привода еще называют электрогидравлическим. В ряде конструкций «роботов» с электрическим приводом (Easytronic от Opel, Durashift EST от Ford) используется гидромеханический блок с электродвигателем для перемещения главного цилиндра привода сцепления.

Электрический привод отличает невысокая скорость работы (время переключения передач 0,3-0,5с) и меньшее энергопотребление. Гидравлический привод предполагает постоянное поддержание давления в системе, а значит большие затраты энергии. Но с другой стороны он более быстрый. Некоторые роботизированные коробки передач с гидравлическим приводом, устанавливаемые на спортивные автомобили, имеют просто впечатляющую скорость переключения передач: Ferrari 599GTO - 0,06c, Lamboghini Aventador – 0,05c.

Эти качества определяют область применения «роботов» с электрическим приводом на бюджетных автомобилях, с гидравлическим приводом – на более дорогих автомобилях. Электрический привод имеют следующие конструкции коробок передач:

  1.  Allshift от Mitsubishi;
  2.  Dualogic от Fiat;
  3.  Durashift EST от Ford;
  4.  Easytronic от Opel;
  5.  MultiMode от Toyota;
  6.  SensoDrive от Citroen;
  7.  2-Tronic от Peugeot.

Достаточно большое количество роботизированных коробок оснащены гидравлическим приводом:

  1.  ISR (Independent Shifting Rods) от Lamborghini;
  2.  Quickshift от Renault;
  3.  R-Tronic от Audi;
  4.  Selespeed от Alfa Romeo;
  5.  SMG от BMW.

Управление роботизированной коробкой передач осуществляет электронная система, которая включает входные датчики, электронный блок управления и исполнительные механизмы.Входные датчики отслеживают основные параметры коробки передач: частоту вращения на входе и выходе, положение вилок включения передач, положение селектора, а также давление и температуру масла (для гидравлического привода) и передают их в блок управления.

На основании сигналов датчиковэлектронный блок управленияформирует управляющие воздействия на исполнительные механизмы в соответствии с заложенной программой. В своей работе электронный блок взаимодействует с системой управления двигателемсистемой ABS (ESP). В роботизированных коробках с гидравлическим приводом в систему управления дополнительно включен гидравлический блок управления, который обеспечивает непосредственное управление гидроцилиндрами и давлением в системе.

Исполнительными механизмами роботизированной коробки передач в зависимости от вида привода являются электродвигатели (электрический привод), электромагнитные клапаны гидроцилиндров (гидравлический привод).

Коробка передач с двойным сцеплением

Основным недостатком роботизированной коробки передач является сравнительно большое время переключения передач, что приводит к рывкам и провалам в динамике автомобиля и, соответственно, снижает комфорт от управления транспортным средством. Решение указанной проблемы было найдено в применении коробки передач с двумя сцеплениями, обеспечившей переключение передач без разрыва потока мощности.

Двойное сцепление позволяет при включенной передаче выбрать следующую передачу и при необходимости включить ее без перерыва в работе коробки. Поэтому другое название роботизированной коробки передач с двумя сцеплениями - преселективная коробка передач (от preselect - предварительно выбрать).

Другим преимуществом коробки передач с двойным сцеплением является высокая скорость переключение передач, зависящая только от скорости переключения муфт (DSG от Volkswagen - 0,2c, DCT M Drivelogic от BMW – 0,1c). «Робот» с двумя сцепления отличает еще и компактность, что актуально для малолитражных автомобилей. Наряду с этим, можно отметить повышенное энергопотребление коробки (особенно с «мокрым» сцеплением). Сравнительно высокая скорость переключения передач в совокупности с непрерывной передачей крутящего момента позволяют добиться отменной разгонной динамики автомобиля и экономии топлива.

В настоящее время двойное сцепление применяется во многих роботизированных коробках передач:

  1.  DCT M Drivelogic от BMW;
  2.  DSG от Volkswagen;
  3.  PDK от Porsche;
  4.  Powershift от Ford, Volvo;
  5.  Speedshift DCT от Mercedes-Benz;
  6.  S-Tronic от Audi;
  7.  TCT от Alfa Romeo;
  8.  Twin Clutch SST от Mitsubishi.

Дажевеликолепная Ferrari 458 Italia оборудованаDoppelkupplungsgetriebe (коробкапередачсдвойнымсцеплением). Все перечисленные роботизированные коробки передач используют гидравлический привод сцепления и передач. И лишь одна коробка передач на сегодняшний день имеет электрический привод устройств, это EDC (Efficient Dual Clutch) от Renault (время переключения передач 0,29с).

Пионерами массового применения коробки передач с двумя сцеплениями являются Volkswagen и Audi, которые устанавливаютроботизированную коробку передач DSG и S-Tronic на свои автомобили с 2003 года. Коробка S-Tronic является аналогом коробки DSG, но в отличие от нее устанавливается продольно оси на задне- и полноприводные автомобили.

На автоматизированной коробке DCT M Drivelogic в системе управления реализуется функция Drivelogic, которая предполагает одиннадцать программ переключения передач. Шесть программ выполняются в режиме ручного переключения, а пять являются автоматизированными программами переключения передач. Данная функция позволяет адаптировать смену передач под стиль вождения конкретного человека. По сути, данная коробка являетсяадаптивной коробкой передач.

Принцип действия роботизированной коробки передач

Работа роботизированной коробки передач может осуществляться в двух режимах: автоматическом и полуавтоматическом. В автоматическом режимеэлектронный блок управления на основании сигналов входных датчиков реализует определенный алгоритм управления коробкой с помощью исполнительных механизмов.

На всех роботизированных коробках предусмотрен режим ручного (полуавтоматического) переключения передач, аналогичныйфункции Tiptronic АКПП. Работа в данном режиме позволяет последовательно переключать передачи с низшей на высшую и наоборот с помощью рычага селектора и (или) подрулевых переключателей. Поэтому в ряде источников информации роботизированная трансмиссия называется секвентальной коробкой передач (от sequensum – последовательность).

Роботизированная коробка передач DSG

Роботизированная коробка передач DSG (Direct Shift Gearbox) является в настоящее время самой совершенной автоматизированной коробкой, устанавливаемой на массовые модели легковых автомобилей.

Коробка DSG обеспечивает переключение передач без разрыва потока мощности, что значительно повышает ее потребительские качества по сравнению с другими «роботами».

Непрерывная передача крутящего момента от двигателя к ведущим колесам достигнута за счет применения двух сцеплений и соответствующих им двух рядов передач. Коробка передач DSG имеет шестиступенчатую и семиступенчатую конструкции.Семиступенчатая коробка (крутящий момент до 250 нм) устанавливается на легковые автомобили B, C и некоторые модели D класса. Шестиступенчатая коробка передач передает крутящий момент до 350 нм и устанавливается на более мощных машинах.

Коробка передач DSG имеет следующее устройство:

  1.  двойное сцепление;
  2.  первый ряд передач;
  3.  второй ряд передач;
  4.  главная передача;
  5.  дифференциал;
  6.  система управления коробкой передач;
  7.  корпус (картер) коробки.

Схема роботизированной коробки передач DSG

Двойное сцепление обеспечивает передачу крутящего момента на первый и второй ряды передач. Сцепление включает ведущий диск, соединенный через входную ступицу с маховиком, и две фрикционные многодисковые муфты, связанные через главную ступицу с рядами передач.

На шестиступенчатой коробке передач двойное сцепление «мокрого» типа, т.е. постоянно находится в масле. Семиступенчатая коробка имеет сухое сцепление, что позволяет значительно уменьшить объем заправляемого масла (с 6.5 л до 1.7 л), снизить энергозатраты и повысить топливную экономичность двигателя. С этой же целью на семиступенчатой коробке масляный насос с гидравлическим приводом заменен на более экономичный электрический насос.

Первый ряд коробки обеспечивает работу нечетных передач и заднего хода, второй ряд отвечает за четные передачи. Каждый из рядов передач представляет собой первичный и вторичный валы с блоками шестерен. Первичные валы расположены соосно, при этом первичный вал второго ряда выполнен полым и надет на первичный вал первого ряда.

Шестерни на первичных валах имеют жесткое соединение с валом. Шестерни вторичных валов вращаются свободно. При этом шестерни первичного и вторичного валов находятся в постоянном зацеплении. Между шестернями вторичного вала расположены синхронизаторы, которые осуществляют включение конкретной передачи. Для выполнения реверсивного движения в коробке передач предусмотрен промежуточный вал с шестерней заднего хода. Навторичных валах также расположены ведущие шестерни главной передачи.

Для управления сцеплением и переключения передач предназначенасистема управления коробкой передач. Система управления включает:

  1.  входные датчики;
  2.  электронный блок управления;
  3.  электрогидравлический блок управления;
  4.  исполнительные механизмы.

Электронный и электрогидравлический блоки управления, а также практически все входные датчики, объединены в единый модуль, имеющий название Mechatronic. Модуль управления располагается непосредственно в картере коробки передач.

Входные датчики отслеживают частоту вращения на входе и выходе коробки передач, давление и температуру масла, а также положение вилок включения передач. Электронный блок управления на основании сигналов датчиков реализует, заложенный в него, алгоритм управления коробкой передач.

Электрогидравлический блок управления обеспечивает работу гидравлического контура управления коробкой передач. В него входят следующие элементы:

  1.  золотники-распределители;
  2.  электромагнитные клапана;
  3.  клапана регулирования давления;
  4.  мультиплексор.

Золотники-распределители приводятся в действие рычагом селектора. Электромагнитные клапаны осуществляют переключение передач. Клапаны регулирования давленияобеспечивают работу фрикционных муфт. Электромагнитные клапаны и клапаны регулирования давления являютсяисполнительными механизмами системы управления коробкой передач.

В коробке применено устройство мультиплексор, которое позволяет управлять восьмью гидроцилиндрами переключения передач только с помощью четырех электромагнитных клапанов. В исходном положении мультиплексора работают одни гидроцилиндры, в рабочем – другие, при этом в обоих режимах общие электромагнитные клапаны.

Принцип работы коробки передач DSG заключается в последовательном включении передач обоих рядов. При этом во время работы одной передачи, следующая передача уже выбрана и готова к включению.

Коробка передач Easytronic

Easytronic – торговое название автоматизированной механической коробки передач, в которой педаль сцепления заменена электрогидравлическим приводом, а выбор и включение передач осуществляется с помощью электромеханического привода. Коробка передач Easytronic сочетает в себе преимущество механической коробки передач с функциями автоматической коробки. Робот Easytronic является совместной разработкой Opel и Luk, в настоящее время устанавливается на автомобили Opel Corsa.

Устройство Easytronic

Коробка передач Easytronic имеет следующее устройство:

  1.  саморегулирующееся сцепление SAC;
  2.  механическая коробка передач;
  3.  привод сцепления;
  4.  электронный блок управления;
  5.  привод выбора и включения передач;
  6.  рычаг селектора.

В конструкции коробки передач используется саморегулирующееся сцепление SAC (Self-Adjusting Clutch), которое осуществляет автоматическое регулирование степени износа, обеспечивает постоянное и невысокое выжимное усилие, чем достигается существенное увеличение срока службы сцепления. Кроме этого невысокое усилие срабатывания позволяет в приводе сцепления использовать маломощный электродвигатель.

Основу Easytronic составляет типовая пятиступенчатая механическая коробка передач, в которую добавлены приводы сцепления и передач.

Схема привода сцепления Easytronic

Привод сцепления включает электродвигатель, червячный редуктор и эксцентриковый механизм, который взаимодействует со штоком поршня главного цилиндра сцепления. Величину перемещения штока поршня главного цилиндра оценивает соответствующий датчик. Привод сцепления выполняет те же задачи, что и водитель осуществляет с педалью сцепления, а именно: дозирование усилия при трогании с места, включение/выключение при переключении передач, разъединение при остановке.

Управление коробкой передач осуществляется с помощью электронного блока, который располагается непосредственно в приводе сцепления. Электронный блок управления выполняет следующие функции:

  1.  прием входных сигналов (положение исполнительных механизмов, рычага селектора, педали газа, параметры работы автомобиля);
  2.  проверка достоверности сигналов;
  3.  определение необходимой передачи;
  4.  расчет выходных параметров;
  5.  подача сигналов на исполнительные механизмы.

В своей работе блок управления взаимодействует с системой управления двигателемантиблокировочной системой тормозов.

Механический привод выбора и включения передач состоит из двух редукторов, которые приводятся в действие от электродвигателей. Работа привода заключается в перемещении рычага, который воздействуя на вилку, осуществляет выбор и переключение конкретной передачи.

Рычаг селектора является элементом электронной системы управления коробкой передач и не имеет с ней жесткой связи. Положение рычага селектора оценивается соответствующим датчиком, который генерирует аналоговый сигнал и запускает определенный алгоритм управления коробкой передач.

Работа коробки передач Easytronic

В конструкции коробки передач Easytronic реализовано два режима работы: автоматический и полуавтоматический.

В автоматическом режиме электронный блок полностью управляет коробкой передач. Коробка передач ведет себя как автоматическая коробка, но операции переключения передач происходят с разрывом тягового усилия. Алгоритм управляющих воздействий электронного блока осуществляется в следующей последовательности:

  1.  уменьшение крутящего момента;
  2.  выключение сцепления;
  3.  выбор передачи;
  4.  синхронизация;
  5.  включение передачи;
  6.  включение сцепления;
  7.  увеличение крутящего момента.

В полуавтоматическом режиме переключение передач осуществляется водителем вручную. Передачи в этом режиме переключаются последовательно на повышение или понижение с помощью рычага селектора. Ручной режим переключения передач в коробке Easytronic носит собственное название Active Select, по сути аналогичный функции Tiptronic.

Вариатор

Вариатор (обиходное название – вариаторная коробка передач) является бесступенчатой коробкой передач, т.е. обеспечивает в заданном диапазоне плавное изменение передаточного числа. Вариаторная коробка передач имеет общепризнанное название (аббревиатуру) CVT – Continuously Variable Transmission (в переводе – постоянно изменяющаяся трансмиссия).

Основное преимущество вариатора по сравнению с другими коробками передач заключается в эффективном использовании мощности двигателя за счет оптимального согласования нагрузки на автомобиль с оборотами коленчатого вала, тем самым достигается высокая топливная экономичность. непрерывное изменение крутящего момента, отсутствие рывков обеспечивают высокий уровень комфорта при передвижении на автомобиле с вариатором.

Ввиду ограничений по мощности вариаторы на сегодняшний день применяются только на легковых автомобилях, правда диапазон их использования вследствие технического прогресса постоянно расширяется. Другой минус вариаторной коробки передач заключается в достаточно высокой технической и технологической сложности конструкции.

Из всего многообразия различных видов вариаторов на автомобилях нашли применение только два - клиноременный и тороидный вариаторы. Наибольшее распространение получил клиноременный вариатор. Первый клиноременный вариатор Variomaticбыл установлен на легковой автомобиль DAF в 1959 году. Его приемник вариатор Transmatic с 1984 года устанавливался на автомобили Fiat и Ford. В настоящее время клиноременный вариатор используется многими автопроизводителями. Ряд конструкций вариаторов имеют собственные названия:

  1.  Autotronic от Mercedes-Benz;
  2.  Ecotronic, Durashift CVT от Ford;
  3.  Lineartronic от Subaru;
  4.  Multidrive от Toyota;
  5.  Multimatic от Honda;
  6.  Multitronic от Audi;
  7.  Xtronic, Hyper от Nissan.

Вариаторы CVT также устанавливаются на некоторые модели автомобилей Chrysler (Dodge, Jeep), Fiat, Mini, Mitsubishi, Opel, Peugeot и др. Клиноременный вариатор удачно выписывается в трансмиссию гибридного автомобиля. Например, вариатор является элементом системы Hybrid Synergy Drive, используемой в Toyota Prius. Самым известным тороидным вариатором является вариаторExtroid, устанавливаемый на автомобили фирмы Nissan.

Устройство и работа вариатора

Вариаторная коробка передач имеет следующее общее устройство:

  1.  механизм, обеспечивающий передачу крутящего момента и разъединение коробки передач от двигателя (нейтральное положение коробки передач);
  2.  собственно вариатор (вариаторная передача);
  3.  механизм, обеспечивающий движение задним ходом;
  4.  система управления.

Для передачи крутящего момента и разъединения вариатора от двигателя использоваться следующие механизмы:

  1.  центробежное автоматическое сцепление (вариатор Transmatic);
  2.  электромагнитное сцепление с электронным управлением (вариатор Hyper );
  3.  многодисковое мокрое сцепление с электронным управлением (вариаторы Multitronic, Multimatic);
  4.  гидротрансформатор (вариаторы Autotronic, Ecotronic, Extroid, Lineartronic, Multidrive, Xtronic).

Самое популярное соединение двигателя и вариатора с помощью гидротрансформатора, который обеспечивает высокую плавность передачи крутящего момента и, соответственно, долговечность коробки передач.

Схема клиноременного вариатора

Клиноременный вариатор состоит из одной, реже двух ременных передач. Передача включает два шкива, соединенные клиновидным ремнем. Шкив образуют два конических диска, которые могут сдвигаться или раздвигаться, обеспечивая тем самым изменение диаметра шкива. Для сближения конусов используется гидравлическое давление, центробежная сила, усилие пружин. Конические диски имеют угол наклона 20°, при котором обеспечивается перемещение ремня по поверхности шкива с наименьшим сопротивлением.

Первые клиноременные вариаторы имели резиновый ремень, который отличала низкая долговечность (50000км), недостаточная гибкость (минимальный радиус изгиба 90мм) и связанный с ней узкий диапазон регулирования. Большинство современных вариаторных коробок передач используют гибкий металлический ремень, который изготавливают из нескольких (10-12) полос стали и связанных с ней фасонных частей в виде бабочки. Передача вращения осуществляется за счет сил трения между шкивами и боковой поверхностью ремня. Ремни данной конструкции имеют высокую прочность, долговечность, гибкость (минимальный радиус изгиба 30мм), низкий уровень шума. Именно металлический клиновидный ремень открыл дорогу для широкого применения вариаторов на автомобилях. Ремень изготавливается из металлических пластин конической формы.

На вариаторах Multitronic, Lineartronic вместо ремня применена металлическая цепь. Такие коробки передач имеют названиеклиноцепной вариатор. Металлическая цепь состоит из пластин соединенных осями. Такая конструкция цепи обеспечивает лучшую гибкость (радиус изгиба 25мм). В отличие от клиноременного вариатора крутящий момент передается торцевой поверхностью цепи при ее точечном контакте с коническими дисками. В местах контакта возникают высокие напряжения, которые компенсируются за счет изготовления конических дисков из высокопрочной (подшипниковой) стали. Клиноцепной вариатор имеет наименьшие потери при передаче крутящего момента и наивысший коэффициент полезного действия.

В силу особенностей конструкции вариаторная передача не может обеспечить реверсивного движения. Для осуществления движения задним ходом в коробке передач применяются дополнительные механизмы. В качестве такого механизма обычно используетсяпланетарный редуктор, устройство и принцип работы которого подобен автоматической коробке передач.

В вариаторной коробке передач применяется, как правило,электронная система управления, которая выполняет следующие функции:

  1.  осуществление синхронного изменения диаметра шкивов вариатора в соответствии с режимами работы двигателя;
  2.  управление сцеплением;
  3.  обеспечение работы планетарного редуктора.

Непосредственное управление вариатором производится с помощьюрычага селектора. Режимы управления аналогичны режимам автоматической коробки передач. В вариаторной коробке передач может быть реализована функция выбора фиксированных передаточных отношений (аналогичная функции Tiptronic). Данная функция решает в основном психологическую проблему, связанную с использованием вариатора на автомобиле, а именно - негативное восприятие водителем постоянной частоты вращения двигателя при разгоне. В ряде конструкций вариаторов функция имеет свое название: Sportronic у Mitsubishi, Autostick у Chrysler.

Схема работы клиноременного вариатора

Принцип работы клиноременного вариатора заключается в согласованном изменении диаметров шкивов в зависимости от режимов работы двигателя. Диаметр шкива изменяется с помощью специального привода. В начале движения автомобиля ведущий шкив вариатора имеет наименьший диаметр (конические диски максимально разжаты). Ведомый диск при этом имеет максимальный диаметр (конические диски максимально сжаты). При увеличении числа оборотов двигателя диаметр ведущего шкива увеличивается, а ведомого – уменьшается, соответственно и уменьшается передаточное число. При дальнейшем разгоне вариатор поддерживает оптимальные обороты двигателя, при которых реализуется максимальная мощность и обеспечивается наилучшая динамика автомобиля.

Особенности конструкции тороидного вариатора

Схема тороидного вариатора

Тороидный вариатор включает два соосных вала со сферической (тороидной) поверхностью, между которыми зажаты ролики. Изменение передаточного числа в тороидном вариаторе производится за счет изменения положения роликов, а передача крутящего момента за счет сил трения между рабочими поверхностями колес и роликов.

Управление вариатором

Управление вариатором осуществляет электронная система, которая обеспечивает функционирование различных элементов коробки передач (сдвижение шкивов, блокировку гидротрансформатора, работу планетарного редуктора) путем регулирования давления рабочей жидкости. В конечном счете, с помощью системы управления достигается требуемая скорость движения автомобиля.

Конструкция и работа системы управления рассмотрена на примере вариатора X-Tronic CVT, который устанавливается на автомобили концерна Nissan, а производит вариатор его «дочка» - компания Jatco.

Конструкция системы управления вариатором

Как всякая электронная система управления система управления вариатором состоит из входных устройств, блока управления и исполнительных механизмов.

К входным устройствам относятся различные датчики и переключатели. Они контролируют различные параметры работы вариаторной коробки передач, преобразуют их в электрические сигналы и передают в электронный блок управления. В управлении вариатором принимают участие следующие датчики и переключатели:

  1.  датчик частоты оборотов ведущего шкива;
  2.  датчик частоты оборотов ведомого шкива;
  3.  датчик температуры рабочей жидкости;
  4.  датчик давления, подводимого к ведущему шкиву;
  5.  датчик давления, подводимого к ведомому шкиву;
  6.  переключатель режимов работы вариатора, в т.ч. переключатель ручного режима работы.

Центральным элементом системы является электронный блок управления. В соответствии с заложенной программой блок управления выполняет множество функций, среди которых:

  1.  прием и обработка сигналов от датчиков и переключателей;
  2.  регулирование давления рабочей жидкости в основной магистрали;
  3.  регулирование давления рабочей жидкости, подводимой шкивам;
  4.  определение момента срабатывания муфты гидротрансформатора;
  5.  блокировка муфты планетарного редуктора;
  6.  самодиагностика системы управления;
  7.  управление коробкой передач в аварийном режиме.

Для принятия решений блок управления использует информацию и от других систем автомобиля: системы управления двигателем (от датчика положения педали газа, датчика положения дроссельной заслонки), антиблокировочной системы тормозов (от датчиков угловой скорости колес).

Исполнительными механизмами, с помощью которых блок управления реализует свои функции, являются:

  1.  шаговый электродвигатель;
  2.  электромагнитный клапан давления в основной магистрали;
  3.  электромагнитный клапан давления, подводимого к ведомому шкиву;
  4.  электромагнитный клапан блокировки муфты гидротрансформатора;
  5.  электромагнитный клапан блокировки муфты планетарного редуктора;
  6.  индикаторы работы вариатора на панели приборов автомобиля.

Шаговый электродвигатель служит для распределения давления между ведущим и ведомым шкивами. Двигатель через тягу соединен с подвижной частью ведущего шкива. С тягой также соединен управляющий клапан (золотник) ведущего шкива вариатора. Положение управляющего клапана зависит и от положения ведущего шкива вариатора и положения шагового двигателя. Золотник имеет три рабочих положения (наполнение, удержание и слив), с помощью которых достигается изменение передаточного отношения вариатора.

Шаговый электродвигатель, электромагнитные клапаны, а также датчики давления и датчик температуры рабочей жидкости конструктивно объединены в одно устройство –электрогидравлический модуль.

Работа системы управления вариатором

Как уже отмечалось, принцип работы системы управления вариатором заключается в регулировании давления рабочей жидкости для различных устройств коробки передач. Максимальное давление (до 6 МПа) используется для управления ведущим и ведомым шкивами. Его создает электромагнитный клапан давления в основной магистрали.

Другим устройствам требуется меньшее давление рабочей жидкости: до 1,5 МПа для срабатывания муфты планетарного редуктора, до 1 МПа для блокировочной муфты гидротрансформатора. А смазка и охлаждение вариатора вообще производится рабочей жидкостью под давлением 0,4 МПа.

Процесс управления шкивами вариатора можно разделить на три этапа:

  1.  удержание заданного передаточного отношения;
  2.  увеличение передаточного отношения;
  3.  уменьшение передаточного отношения.

Удержание заданного передаточного отношения достигается при определенном положении управляющего клапана. В этом положении гидроцилиндр ведущего шкива вариатора заперт, а рабочая жидкость под давлением подается в гидроцилиндр ведомого шкива для создания необходимого натяжения ремня вариатора.

При увеличении передаточного отношения (увеличении диаметра ведущего шкива и уменьшении диаметра ведомого шкива) блок управления дает команду шаговому двигателю на выдвижение штока. Управляющий клапан также перемещается, что позволяет рабочей жидкости заполнить гидроцилиндр ведущего шкива. Под давлением жидкости стенки ведущего шкива сжимаются, а ремень соответственно перемещается наружу и занимает больший диаметр. При достижении требуемого передаточного отношения управляющий клапан переходит в режим удержания давления.

В ведомом шкиве давление наоборот уменьшается. Под управлением соответствующего электромагнитного клапана рабочая жидкость покидает гидроцилиндр ведомого шкива. Под действием пружины стенки шкива раздвигаются, а диаметр шкива уменьшается. Как только достигается требуемый диаметр ведомого шкива, в гидроцилиндре шкиве снова создается давление для натяжения ремня вариатора.

При уменьшении передаточного отношения шаговый двигатель перемещает управляющий клапан в рабочее положение «слив». Жидкость покидает гидроцилиндр ведущего шкива, стенки шкива под действием пружины раздвигаются и ремень занимает меньший диаметр. В это время на гидроцилиндр ведомого шкива действует максимальное давление, которое приводит к сжатию его стенок и увеличению диаметра. Как только передаточное отношение достигнет требуемого значения, управляющий клапан переходит в режим удержания давления.

Гидротрансформатор в составе вариаторной коробки передач работает только на небольших скоростях (при трогании автомобиля с места). При достижении определенной скорости происходит блокировка муфты гидротрансформатора, крутящий момент передается напрямую к вариатору. Муфты блокировки планетарного редуктора срабатывают при включении режимов управления вариатором D (Drive) или R (Reverse).

Вариатор Мультитроник (Multitronic)

Вариатор Мультитроник (торговая марка Multitronic) является самой совершенной на сегодняшний день бесступенчатой коробкой передач. Применение данной коробки обеспечивает максимальную динамичность автомобиля, высокую топливную экономичность двигателя и комфорт в управлении транспортным средством. Благодаря высоким потребительским качествам вариаторная коробка передач устанавливается на автомобили премиум-классаAudi (модели А4, А5 и А6).

Вариатор Мультитроник имеет следующее устройство:

  1.  многодисковое мокрое сцепление;
  2.  планетарный механизм;
  3.  промежуточная передача;
  4.  вариатор (вариаторная передача);
  5.  главная передача;
  6.  дифференциал;
  7.  система управления коробкой передач;
  8.  картер коробки передач.

Схема коробки передач Мультитроник (Multitronic)

Функцию разъединения двигателя от коробки передач в системе Multitronic выполняют два мокрых (работающих в масле) многодисковых сцепления. Сцепления представляют собой многодисковые фрикционные муфты – фрикционы: фрикцион переднего хода и фрикцион заднего хода. Конструкция фрикционных муфт аналогична муфтам, применяемым для переключения передач в АКПП.

В коробке передач предусмотрено принудительное охлаждение фрикционов отдельным потоком рабочей жидкости. Фрикционные муфты имеют существенные преимущества по сравнению с гидротрансформатором, выполняющим аналогичную функцию. Они обладают меньшей массой, компактны и проще в управлении.

Планетарный механизм используется только для движения задним ходом. При движении автомобиля вперед происходит блокировка редуктора фрикционом переднего хода. При движении назад – фрикцион заднего хода блокирует коронную шестерню редуктора на корпус коробки передач, вследствие чего планетарный редуктор движется в противоположную сторону. Скорость движения задним ходом ограничивается системой управления.

Вариатор обеспечивает плавное изменение передаточного числа. Он состоит из следующих конструктивных элементов:

  1.  ведущий шкив;
  2.  ведомый шкив;
  3.  цепь.

Каждый из шкивов представляют собой два диска с конической поверхностью. Ведущий диск соединяется с коленчатым валом двигателя через промежуточную передачу. С ведомого диска крутящий момент направляется на главную передачу. Один из дисков на каждом шкиве подвижен. Это позволяет в процессе работы изменять диаметр шкива.

В вариаторе Мультитроник впервые применена металлическая цепь. Данное техническое решение позволило значительно расширить диапазон передаточных чисел за счет уменьшения поверхности соприкосновения цепи со шкивом (в сравнении с клиновидным ремнем). Снижение шума при работе металлической цепи достигнуто путем использования звеньев различного размера.

Привод каждого из шкивов состоит из двух гидроцилиндров – прижимного и регулировочного. Прижимной гидроцилиндр непосредственно прижимает цепь к дискам шкива. Регулировочный гидроцилиндр обеспечивает изменение диаметра шкива, т.е. регулирует передаточное отношение. Сила, с которой диски прижимаются к цепи, контролируется датчиком крутящего момента. Датчик установлен на ведущем диске.

Так как вариатор Multitronic устанавливается на переднеприводные автомобили, в конструкцию коробки передач включены главная передачаидифференциал.

Система управления коробкой передач включает следующие элементы:

  1.  гидравлический блок управления;
  2.  входные датчики;
  3.  электронный блок управления.

Гидравлический блок управления осуществляет непосредственное управление фрикционами переднего и заднего хода, прижимными и регулировочными цилиндрами, регулирует давление рабочей жидкости в системе, а также производит охлаждение фрикционов. В гидравлическом блоке имеются:

  1.  золотник ручного управления;
  2.  гидравлические клапаны;
  3.  электромагнитные клапаны управления давлением.

Циркуляцию рабочей жидкости в системе обеспечивает масляный насос шестеренного типа, который имеет привод от первичного вала. Для охлаждения фрикционов применяется эжекционный насос, действие которого основано на подаче рабочей жидкости за счет разряжения. Охлаждение рабочей жидкости производится в масляно-водяном теплообменнике, включенном в систему охлаждения двигателя.

К входным датчикам системы управления коробкой передач относятся:

  1.  датчик положения рычага селектора;
  2.  датчик числа оборотов на входе коробки передач;
  3.  датчик числа оборотов на выходе коробки передач;
  4.  датчик температуры рабочей жидкости;
  5.  датчик давления рабочей жидкости.

Электронный блок управления служит для выбора оптимального передаточного отношения в соответствии с условиями движения и желаниями водителя. На основании сигналов датчиков электронный блок управления вычисляет величину давления рабочей жидкости и реализует это давление путем воздействия на электромагнитные клапаны. Блок управления установлен непосредственно на коробке передач.

Вариатор Мультитроник имеет механическую связь с рычагом селектора. Режимы управления коробкой передач аналогичны режимам АКПП. В данной коробке реализован режим «Кик-Даун» (Kick-Down), предполагающий быстрое ускорение автомобиля. Используется функция выбора фиксированных передач Типтроник (Tiptronic).

Функция Типтроник (Tiptronic)

Типтроник (Tiptronic) является торговым названием функции (режима) ручного переключения передач, который реализуется в автоматической коробке передач. Помимо потребительских качеств, данная функция позволяет контролировать динамику автомобиля при различных режимах работы двигателя (дополнительное ускорение, торможение двигателем, включение пониженной передачи при повороте и др.), что недоступно для классической АКПП.

Торговая марка Tiptronic зарегистрирована в 1989 году и принадлежит немецкому производителю спортивных автомобилей Porshe. Изначально система была разработана для автоспорта, чтобы обеспечить быстрое переключение передач за счет наименьшей траектории рычага управления.

В настоящее время функция Tiptronic используется наавтоматических коробках передач, устанавливаемых на автомобили концерна Volkswagen (VW, Audi, Skoda, Seat, Porshe), а также нароботизированных коробках передач DSG, S-Tronic и вариаторе Multitronic. Аналогичная функция под названием Стептроник(Steptronic) реализуется на автомобилях BMW. Благодаря широкому распространению ручного режима на автоматических коробках передач название Типтроник стало нарицательным.

Многие используют термин "типтроник" для обозначения отдельной конструкции автоматической коробки передач, которая включает функцию ручного переключения передач, что не совсем верно. Типтроник - только функция АКПП.

Режим Tiptronic осуществляется посредством рычага селектора автоматической коробки передач. Для этого в кулисе селектора предусмотрен специальный вырез со знаками «+» и «-». На некоторых моделях автомобилей ручное переключение передач осуществляется с помощью подрулевых переключателей ("лепестков"). Выбранная передача транслируется на информационный дисплей.

Функция реализуется с помощью отдельной программы в электронном блоке управления коробкой передач. Работу системы Типтроник обеспечивают следующие устройства:

  1.  переключатели в селекторе коробки передач;
  2.  переключатели на рулевом колесе.

В селекторе коробки передач может устанавливаться от одного до трех (в зависимости от конструкции) переключателей: один – для включения режима, второй – для переключения на высшую передачу и третий – для переключения на низшую передачу. Сигналы от переключателей передаются в электронный блок управления, где запускается алгоритм программы. Блок управления, в свою очередь, обеспечивает переключение передач.

При нажатии на подрулевые «лепестки» система управления переводит коробку в ручной режим, миную переключение рычага селектора. Если подрулевые переключатели не используются водителем, то по истечении определенного времени система управления самостоятельно переводит коробку в автоматический режим работы.

В вариаторе Multitronic функция Tiptronic осуществляется за счет программирования фиксированных передаточных чисел в вариаторе.

Подвеска автомобиля

Подвеска автомобиля предназначена для обеспечения упругой связи между колесами и кузовом автомобиля за счет восприятия действующих сил и гашения колебаний. Подвеска входит в составходовой части автомобиля.

Подвеска автомобиля имеет следующее общее устройство:

  1.  направляющий элемент;
  2.  упругий элемент;
  3.  гасящее устройство;
  4.  стабилизатор поперечной устойчивости;
  5.  опора колеса;
  6.  элементы крепления.

Направляющие элементы обеспечивают соединения и передачу сил на кузов автомобиля. Направляющие элементы определяют характер перемещения колес относительно кузова автомобиля. В качестве направляющих элементов используются всевозможные рычаги: продольные, поперечные, сдвоенные и др.

Упругий элемент воспринимает нагрузки от неровности дороги, накапливает полученную энергию и передает ее кузову автомобиля. различают металлические и неметаллические упругие элементы. Металлические упругие элементы представлены пружиной, рессорой и торсионом.

В подвесках легковых автомобилей широко используются витые пружины, изготовленные из стального стержня круглого сечения. Пружина может иметь постоянную и переменную жесткость. Цилиндрическая пружина, как правило, постоянной жесткости. Изменение формы пружины (применение металлического прутка переменного сечения) позволяет достичь переменной жесткости.

Листовая рессора применяется на грузовых автомобилях.

Торсион представляет собой металлический упругий элемент, работающий на скручивание.

К неметаллическим относятся резиновые, пневматические и гидропневматические упругие элементы. Резиновые упругие элементы (буферы, отбойники) используются дополнительно к металлическим упругим элементам.

Работа пневматических упругих элементов основана на упругих свойствах сжатого воздуха. Они обеспечивают высокую плавность хода и возможность поддержания определенной величины дорожного просвета.

Гидропневматический упругий элемент представлен специальной камерой, заполненной газом и рабочей жидкостью, разделенных эластичной перегородкой.

Схема однотрубного газонаполненного амортизатора

Гасящее устройство (амортизатор) предназначено для уменьшения амплитуды колебаний кузова автомобиля, вызванных работой упругого элемента. работа амортизатора основана на гидравлическом сопротивлении, возникающем при протекании жидкости из одной полости цилиндра в другую через калибровочные отверстия (клапаны).

Различают следующие конструкции амортизаторов: однотрубные (один цилиндр) идвухтрубные (два цилиндра). Двухтрубные амортизаторы короче однотрубных, имеют большую область применения, поэтому шире используются на автомобиле.

Схема двухтрубного газонаполненного амортизатора

У однотрубных амортизаторов рабочая и компенсационная полости расположены в одном цилиндре. Изменение объема рабочей жидкости, вызванные температурными колебаниями, компенсируются за счет объема газовой полости.

Двухтрубный амортизатор включает две, расположенные одна в другой, трубы. Внутренняя труба образует рабочий цилиндр, а внешняя - компенсационную полость.

В ряде конструкций амортизаторов предусмотрена возможность изменения демпфирующих свойств:

  1.  ручная регулировка клапанов перед установкой амортизатора на автомобиль;
  2.  применение электромагнитных клапанов с изменяемой площадью калибровочных отверстий;
  3.  изменение вязкости рабочей жидкости за счет воздействия электромагнитного поля.

Стабилизатор поперечной устойчивости противодействует увеличению крена при повороте за счет перераспределения веса по колесам автомобиля. Стабилизатор представляет собой упругую штангу, соединенную через стойки с элементами подвески. Стабилизатор может устанавливаться на переднюю и заднюю ось.

Опора колеса (для передней оси - поворотный кулак) воспринимает усилия от колеса и распределяет их на другие элементы подвески (рычаги, амортизатор).

Элементы подвески соединяются между собой и с кузовом автомобиля с помощью элементов крепления. В подвеске используются, в основном, три вида креплений:

  1.  жесткое болтовое соединение;
  2.  соединение с помощью эластичных элементов (резино-металлические втулки, сайлент-блоки);
  3.  шаровой шарнир (шаровая опора).

Эластичные элементы используются для присоединения элементов подвески к кузову и в отдельных случаях к опоре колеса. Соединение с куз