Детали автомобилей подвержены практически всем видам изнашивания. Коленчатый вал работает в условиях контактного скольжения коренных и шатунных шеек с вкладышами подшипников и смазкой. Изнашивание вала определяется рядом характерных факторов:

• знакопеременные контактные нагрузки;
• закономерно изменяющаяся площадь контакта детали по мере ее износа;
• изменение условий смазки детали по мере изменения ее формы;
• нагрузочные, скоростные и тепловые режимы работы детали;
• колебания физико-химических свойств смазочных материалов.

Комплекс этих факторов вызывает, в основном, механическое изнашивание коленчатого вала.

Абразивное (механическое) изнашивание происходит в результате режущего или царапающего действия твердых частиц, находящихся в свободном или закрепленном состоянии.

В процессе эксплуатации двигателя в результате неравномерности износа, кратковременных перегрузок, смещения опор блока из-за старения металла и ряда других факторов возникают ситуации, при которых вал работает в условиях перегрузок. При этом в ходе многократного циклического нагружения и деформирования микрообъёмов металла поверхностного слоя, в его структуре накапливаются усталостные повреждения, приводящие к усталостному выкрашиванию наиболее напряженных зон детали. Такими зонами в коленчатых валах автомобильных двигателей являются центральные части коренных и шатунных шеек в области  маслоподводящих отверстий.

Таким образом, коленчатые валы двигателей работают в условиях преимущественно усталостного и абразивного изнашивания поверхностей шеек, к которым предъявляются жесткие требования по соблюдению геометрических размеров. Следовательно, срок службы коленчатого вала зависит от сопротивления усталостному выкрашиванию и износостойкости поверхности коренных и шатунных шеек.

Изношенные коленчатые валы перешлифовывают на ремонтные размеры до шести раз. Начиная с третьего ремонтного размера износ коренных шеек значительно увеличивается по сравнению с новыми, из-за уменьшения поверхностной твердости, поэтому их необходимо закаливать повторно уже со второго ремонтного размера. Однако здесь появляются сложности. Поскольку в случае индукционной закалки возникают деформации, трудноустраняемые при ремонте, этот способ не применяют. Лазерное термоупрочнение обеспечивает повышение износостойкости шеек коленчатого вала примерно в два раза по сравнению с неупрочненными при отсутствии деформации. Однако из-за высокой стоимости и сложности лазерного оборудования этот процесс также не нашел применения на ремонтных предприятиях. Поэтому применение технологий восстановления изношенных шеек коленчатых двигателей является перспективной и актуальной задачей. Кроме того, восстановление изношенных деталей в системе ремонта машин является природоохранным и ресурсосберегающим производством. На изготовление, например, одного коленчатого вала автомобильного двигателя с рабочим объемом 4,8 л. расходуют 57 кг металла, 183 МДж энергии, масса отходов при этом равна 2,5 кг. При восстановлении эти величины имеют значения примерно в 20 раз меньше: соответственно 2,6 кг, 9,5 МДж и 0,12кг.

Среди разнообразия технологических процессов восстановления изношенных деталей примерно 85% объема восстановленных шеек коленчатых валов всех двигателей выполняют путем применения сварочно-наплавочных процессов. Общим недостатком различных способов наплавки является значительное термическое воздействие дуги на деталь, сопровождаемое ее расплавлением, возникновением остаточных напряжений, деформацией, трещин и, как следствие, снижением сопротивления усталости на 50÷70 %, а также износостойкости по сравнению с новыми деталями. Для наплавленного металла характерен значительный разброс показателей механических свойств. Указанные недостатки стимулировали развитие газотермических способов напыления для восстановления коленчатых валов.

Идея создания пористых структур в деталях узлов трения впервые запатентована  во Франции в 1870 г., однако, развитие получила лишь с появлением и разработкой способов формирования управляемой пористой структуры. Наличие пор в покрытии не только повышает износостойкость, но и увеличивает промежуток времени до схватывания металлов шеек коленчатого вала и вкладышей после прекращения подачи масла. Пористое покрытие на шейке коленчатого вала должно выдерживать повышенные нагрузки при условии сохранения его структуры и эксплуатационных характеристик.

Малые объемы разогретых или даже расплавленных частиц (dч = 30-150 мкм); высокая степень деформации (растекания) при ударе; микронные значения толщины и исключительно высокий градиент температуры (~106 К/с) при теплообмене предопределяют глубокое переохлаждение расплавленной частицы, что, как известно, приводит к появлению огромного количества центров кристаллизации в объеме расплава и одновременному затвердеванию всей массы. Все это приводит к искажению кристаллической решетки, появлению в ней огромного количества дефектов. Наличие большого числа дефектов кристаллической решетки затрудняет движение дислокаций, закрепляет их.

В настоящее время установки высокоскоростного газопламенного напыления достаточно широко представлены на рынке, однако, большинство из них предусматривают использование в качестве материала для нанесения покрытия только порошки (большая часть всех износостойких покрытий, наносимых методом высокоскоростного напыления, приходится на твердые сплавы на основе карбида вольфрама). Применение дорогостоящих порошков значительно увеличивает и без того немалую себестоимость нанесения покрытия. В условиях финансово-экономического кризиса предприятия вынуждены снижать свои затраты, в том числе и на проведение ремонтно-восстановительных работ. Применение наплавочных порошковых проволок на основе низколегированных железных сплавов, позволяет существенно снизить себестоимость нанесения покрытия, без большой потери в износостойкости (на сегодняшний день стоимость порошковых материалов на основе карбида вольфрама на порядок превышает стоимость большинства порошковых проволок).

Так, на современной установке «ТЕХНИКОРД ТОП-ЖЕТ/2» нам удается получать износостойкие покрытия напылением порошковых проволок.

При разработке технологии нанесения покрытия были проведены комплексные исследования покрытий, полученных из экономно-легированной порошковой проволоки на основе железа – ПП-ПМ-6.

Исследование износостойкости проводилось на установке для испытаний на изнашивание образцов с покрытиями при трении о не жестко закрепленные частицы абразива. Исследование показало, что покрытие из ПП-ПМ-6, полученное при оптимальных режимах напыления  имеет высокую износостойкость. Испытания на износостойкость в условиях абразивного изнашивания при трении по закрепленному абразиву также показали высокую износостойкость покрытий из ПП-ПМ-6. В относительных величинах износостойкость покрытия примерно вдвое превосходит износостойкость стального образца эталона. Средняя  микротвердость образцов после изнашивания достигает 11 ГПа, в то время как аналогичное значение для образцов без покрытий -6 ГПа.

Андрюхина Т.Н., Р. Р. Шарапов

Самарский Государственный Технический Университет,

факультет Машиностроения и автомобильного транспорта,

кафедра «Инструментальные системы и сервис автомобилей»

Одним из самых важных вопросов в поиске альтернатив развития для  бензинового двигателя является поиск путей сокращения потребления топлива, уменьшение вредных выбросов в атмосферу. Одними из быстро развивающихся технологий являются системы отключения цилиндров, которые способны отключать несколько цилиндров в некоторых режимах работы ДВС для экономии топлива и сокращения вредных выбросов в атмосферу.

При обычной езде по городу автомобиль, как правило, использует лишь 30 процентов от максимальной мощности двигателя. При этом дроссельная заслонка почти закрыта, и двигатель вынужден совершать работу для закачки свежей порции воздуха. Это приводит к увеличению так называемых насосных потерь. В больших двигателях в таких условиях также происходит значительное снижение давления в цилиндре, т.е. топливо используется неэффективно. Отключение некоторых цилиндров позволяет уменьшить количество потребляемого топлива, снизить насосные потери и увеличить давление в рабочих цилиндрах. В итоге экономия топлива может составлять от 8 до 25 процентов. Нужно отметить, что применение таких систем особенно эффективно в двигателях, имеющих много цилиндров и большой объем.

Дезактивация цилиндров осуществляется за счет закрытия впускных и выпускных клапанов для конкретного цилиндра. При закрытии обеих клапанов создается эффект «воздушной пружины» за счет оставшихся в цилиндре отработавших газов. Компрессия и декомпрессия этих газов имеют уравнительный эффект – в целом, практически нет дополнительной нагрузки на двигатель. В современных поколениях систем отключения цилиндров отключается и подача топлива в дезактивированный цилиндр, переход между обычной работой двигателя и режимом дезактивации сглаживается с помощью изменения моментов зажигания, фаз газораспределения, положения дроссельной заслонки. Таким образом, отключение части цилиндров при частичной нагрузке в шутку можно сравнить с временной установкой меньшего двигателя. При этом сохраняется возможность в любой момент получить всю мощность большого двигателя, в отличии от других систем, созданных для повышения экономичности и экологичности двигателя.

Первым производителем, установившим систему отключения цилиндров на серийный автомобиль, был Cadillac 1981 года (рис. 1).

Pic. 1 – Cadillac Eldorado with L62 V8-6-4

Его двигатель, разработанный совместно с компанией Eaton, имел обозначение L62 V8-6-4. Другими словами, этот двигатель мог работать на 8, 6 или 4 цилиндрах.

В этом двигателе отключение цилиндров происходило за счет применения серии соленоидов, отключавших рычаги впускного и выпускного клапанов, клапаны при этом закрывались под действием пружин (рис. 2). Управление соленоидами и положением дроссельной заслонки осуществлялось  электронным блоком управления, с его помощью также производилась индикация количества активных цилиндров и среднего расхода топлива. Экономия топлива, заявленная производителем, составляла 20%.

Рис. 2 – Система отключения цилиндров Cadillac

Двигатель Cadillac L62 V8-6-4 был технологическим чудом того времени. Однако этот двигатель имел многочисленные проблемы: при включении дезактивированного цилиндра в работу из-за невозможности управлять каждой топливной форсункой в отдельности, получалась очень богатая рабочая смесь, двигатель плохо работал на переходных режимах. Вдобавок к этому электронный блок управления имел малую производительность.  Через год из-за этих проблем производство двигателей с системой отключения цилиндров было прекращено на долгие годы.

Однако отключаемым цилиндрам вновь нашли применение. General Motors, первая возобновившая интерес к этой идее, назвала систему «Displacement on Demand (DoD)». DaimlerChrysler, первый производитель серийных машин с системой дезактивации цилиндров, назвал свой подход Multi-Displacement System (MDS). В автомобилях Honda эта система называется Variable Cylinder Management (VCM).

Мотивация осталась прежней – уменьшить расход топлива. Современные электронные системы управления стали несравнимо лучше, благодаря этому отключение цилиндров стало происходить очень плавно и почти незаметно для водителя.

Дезактивация цилиндров происходит в тех режимах работы двигателя, когда требуется лишь небольшая часть мощности двигателя, например, при поддержании крейсерской скорости автомобиля.

При выключении части цилиндров дроссельная заслонка открывается более широко, что способствует сокращению насосных потерь. Также это уменьшает энергию, затрачиваемую на поворот распределительного вала, снижаются потери системы охлаждения. Механические компоненты, необходимые для отключения цилиндров, на удивление просты. Системы всех трех рассматриваемых производителей используют управляемые компьютером соленоиды для перемещения штоков в толкателях клапанов (системы DaimlerChrysler and GM) или в половине коромысел клапанов (Honda). Система VCM компании Honda является разновидностью её фирменной системы изменения фаз газораспределения VTEC; вместо выбора большого или малого открытия клапана в VTEC, система VCM производит выравнивание коромысла, что обеспечивает полное закрытие клапана.

При дезактивации цилиндров электронный блок управления двигателем подробно изучает показатели температуры охлаждающей жидкости, скорости автомобиля, загруженности двигателя и т.д. Когда цилиндр отключается, прерывается работа не только впускных и выпускных клапанов, но и зажигания и подачи топлива.

Для дезактивации требуется около 40 миллисекунд. Она происходит сразу после рабочего хода поршня, цилиндр заполняется отработавшими газами и образуется «воздушная пружина».

Управляемый электронным блоком соленоид  подает масло, подходящее от гидролиний, к толкателям клапанов, оснащенных механизмами переключения. Обычно один соленоид управляет всеми толкателями отключаемого цилиндра. В V-образных двигателях при дезактивации отключаются крайние цилиндры левого блока и центральные цилиндры правого блока цилиндров, чтобы исключить смещений в системе зажигания (рис. 3).

Рис. 3 – Схема отключения цилиндров в двигателе V8

Одним из самых применяемых решений для дезактивации цилиндров является Lifter Pin Control Mechanism итальянского производителя автомобильных комплектующих Delphi Automotive Systems. В настоящее время существуют две разновидности этого метода: управляемое отключение цилиндров одного блока (цилиндры выключаются одновременно); индивидуальное управляемое отключение цилиндров (цилиндры могут дезактивироваться по-отдельности). Первая разновидность применяется на V-образных и оппозитных двигателях, вторая – преимущественно на рядных.

Другой метод заключается в использовании распределительного вала переменного  профиля, разработанного компанией Lotus. Эта решение схоже с системами, применяемыми в V- образных двигателях компании Honda.

Ещё один метод, который может быть использован, Valve Train technology (активный привод клапана), это система газораспределения, лишенная  распределительного вала. Однако пока это только экспериментальная разработка.

Отключение цилиндров с помощью LIFTER PIN CONTROL MECHANISM (рис. 4) включает в себя:

• электронный блок управления;
• соленоиды;
• гидролинии;
• блокирующий штифт.

Когда компьютер принимает решение об отключении части цилиндров, подается электрический сигнал, соленоиды открываются и давление масла подается на штифты через специальный масляный канал в блоке цилиндров. Когда толкатель клапана находится на основной окружности кулачка распределительного вала, блокирующий штифт (рис. 5), находящийся внутри этого толкателя, способен свободно перемещаться. Масляное давление выталкивает штифт, что позволяет внутренней части гидротолкателя отсоединиться от  корпуса гидротолкателя. В результате этого корпус толкателя движется вместе с кулачком распределительного вала, а  его внутренняя часть, связанная с клапаном, остается неподвижной.

Рис. 5 – Блокирующий штифт

Преимущества двигателей с системой отключения цилиндров:

• повышение топливной экономичности (10-20%);
• уменьшение количества вредных выбросов в атмосферу (20-30%);
• улучшение наполнения двигателя свежим воздухом, снижение насосных потерь.

Недостатки системы:

• нарушение балансировки двигателя при включенном режиме дезактивации, что может привести к сильным вибрациям и повышению уровня шума. Эта проблема решается использованием более точных расчетов балансировки двигателя а также с помощью применения гидравлических опор двигателя и шумопоглощающих материалов;
• увеличение стоимости изготовления двигателя, однако применение этой системы снижает эксплуатационные расходы на топливо;
• небольшое увеличение веса;
• трудность обслуживания и ремонта из-за сложности системы.

Система дезактивации цилиндров была реализована компанией Chrysler  в двигателях 5.7 litre HEMI V8 в 2004 году, которые устанавливаются на машины: Chrysler 300C, Dodge Magnum, Dodge Charger, Jeep Grand Cherokee, Jeep Commander, Dodge Durango, Dodge Ram.

Система носит название MDS (Multi-Displacement System) и отключает 4 из 8 цилиндров при скоростях выше 30 км/ч и частотах вращения коленчатого вала ниже 3000 об/мин.

Что интересно, компанией Chrysler совместно с Eberspaecher была разрабона специальная система выпуска, предотвращающая искажение звука выхлопа при включении дезактивации цилиндров. Мощность двигателей составляет 240-290кВт. По заявлениям производителя, экономия топлива составляет 10-20%.

Система дезактивации компании GM устанавливается на автомобили: Chevrolet TrailBlazer, Chevrolet Tahoe, Chevrolet  Camaro, Cadillac Escalade. Система, называемая Displacement on Demand (DoD), отключает также 4 цилиндра из 8ми. Экономия топлива составляет 8-25%.

Система компании Mercedes-Benz носит название Active Cylinder Control (ACC). Применяется на двигателях V12 (отключаемы 6 цилиндров) и V8 (отключаемы 4 цилиндра). Автомобили CL 500, CL600, S500 и S600. Экономия топлива 7% в городе, до 20% на шоссе.

Компания Honda представила свою систему отключения цилиндров VCM (Variable Cylinder Management) на автомобилях Odyssey и Accord. Сейчас эта система также устанавливается на Honda Pilot. Система работает следующим образом: при низкой нагрузке управляющий процессор отключает три из шести цилиндров (задний ряд); их клапаны остаются закрытыми, цилиндры не работают. 24-клапанная «шестерка» оснащена двумя распредвалами – по одному в каждой головке блока. Клапаны приводятся в движение коромыслами, в которые встроены (в головке заднего ряда цилиндров) фирменные механизмы гидроблокировки. В зависимости от положения штифтов коромысла либо жестко блокированы (клапаны работают), либо «ломаются» (клапаны отключены).

Интересно, что вместе с этой системой применяется система Active Noise Control (активное гашение шума), которая управляет динамиками в салоне, издающими звуковые импульсы «в противофазе».

По заявлениям производителя, экономия топлива составляет 10-15%.

Компания Eaton Automotive производит механизмы с блокирующим штифтом для концерна GM и некоторых Европейских производителей.

Компания Delphi Automotive является основным производителем управляющих устройств, а также механизмов с блокирующим штифтом.

Компания INA специализируется на  производстве комплектующих для систем деактивации цилиндров двигателей 5.7L Hemi V-8 и GM 3.9L V-6.

В настоящее время ведутся работы по разработке системы Active Valve Train Technology, исключающей распределительный вал.

Также компания Volkswagen в 2012 году обещает представить новый двигатель 1,4 TSI с системой отключения цилиндров. Система отключения цилиндров будет впервые применена на четырех-цилиндровом моторе. Два из четырех цилиндров 1,4-литрового TSI смогут быть отключены во время умеренной или небольшой нагрузки. Так, при постоянной скорости в 50 км/ч на третьей или четвертой передаче расход топлива может быть уменьшен почти на 1 л/100 км. Система деактивации цилиндров вступает в действие, когда двигатель работает в диапазоне 1 400 – 4 000 об/мин, развивая вращающий момент от 25 до 75-ти Нм. 

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. B. Vinodh and A. Univ “Technology for Cylinder Deactivation”. Society of Automobile Engineers (SAE). Technical paper number: 2005-01-0077.  2005 year.
2. Delphi  Automotive Systems «Delphi Cylinder Deactivation for Overhead Valve Engines». Web Publication. 2006 year. http://www.delphi.com
3. Research paper published by Quant Zheng , Delphi Automotive Systems. Paper number: 2004-01-0669.
4. Schaeffler Technologies AG & Co. INA “Variable valve train systems” Web Publication. 2011 year.  http://www.ina.com
5. Green Car Congress “Volkswagen to implement cylinder deactivation in 1.4 TSI engines”. 2012 year. http://www.greencarcongress.com