Говоря о поршневых двигателях, прежде всего имеют в виду двигатели внутреннего сгорания (ДВС). Поршневые двигатели с внешним подводом теплоты (в частности, двигатель Стирлинга) занимают пока очень скромное место в общем объеме вырабатываемой энергии в составе установок различного типа и назначения. Что касается ДВС, то значительная часть железнодорожного, морского и речного транспорта и практически весь автомобильный транспорт ныне приводятся в движение поршневыми двигателями внутреннего сгорания с принудительным воспламенением горючей смеси или с самовоспламенением топлива от сжатия (дизелями). ДВС по суммарной установленной мощности более чем в 5 раз превосходят возможности всех стационарных электростанций, эксплуатируемых человечеством.

В наиболее промышленно развитых странах быстрыми темпами развивается транспортное двигателестроение и, прежде всего, автомобильное. Объемы производства автомобилей в основных странах-производителях непрерывно увеличиваются, превысив 30 млн единиц в год. Увеличивается выпуск и других типов двигателей. Развитие двигателестроения во многом определяется жесточайшей конкуренцией на мировом рынке и непрерывным ужесточением законодательных требований, направленных на ограничение токсичности выбросов и шума. Кроме того, постоянно повышаются требования к топливной экономичности, массогабаритным показателям, надежности и ресурсу двигателей.

Необходимость законодательного регулирования уровня эмиссии выхлопа ДВС при наращивании объемов производства диктуется негативным воздействием продуктов сгорания на природную среду. В России в недалеком прошлом в атмосферу только автотранспортными средствами ежегодно выбрасывалось 20...27 млн т монооксида углерода, 2...2,5 млн т углеводородов, 6...9 млн т оксидов азота, до 190 тыс. т соединений серы, до 100 тыс. т сажи, 13 тыс. т тяжелых металлов, а также до 3,1·1012 МДж теплоты. В настоящее время положение только усугубилось, при этом все большую озабоченность вызывает увеличение выбросов двуокиси углерода в связи с расширением масштабов парникового эффекта.

Кроме того, растут выбросы углеводородов и соединений серы на нефтехимических и нефтеперерабатывающих производствах, а также выбросы монооксида углерода в процессе производства металлов, необходимых для обновления парка автотранспортных средств. Парк автомобилей в России, несмотря на значительное сокращение объемов производства за последнее десятилетие, вырос. Следует отметить, что произошло это в значительной мере благодаря импорту.

Ужесточение требований к токсичности выбросов автотранспорта в странах Европы происходит в соответствии с известными нормами Euro-1, 2, 3. Снижение выбросов по отдельным компонентам предусматривается: по углеводородам - в 1,86, по монооксиду углерода - в 2,33, а по окислам азота - в 1,8 раза. Рядом национальных стандартов (США, Япония и др.) установлены еще более жесткие нормы. Намечаемые к введению с 2005 г., нормы Euro-4 предусматривают снижение выбросов СО, СН и NОх на 40 % (и более) относительно норм Еuro-3. В Европе планируется снижение до 20 % норм выбросов твердых частиц по сравнению с нормами, действующими до 2000 г.

Жесткий контроль за соблюдением законодательных ограничений токсичных выбросов вынуждает производителей двигателей искать адекватные технические решения. При этом повышенные требования предъявляются к качеству применяемых топлив (уменьшение содержания серы, ароматических углеводородов, рост цетанового числа). Хотя основные направления повышения показателей и, в первую очередь, улучшение экологических показателей относится ко всем типам ДВС, темпы и достигнутые технические уровни различны для двигателей разных типов и назначений. Лидирующую группу составляют автомобильные двигатели, для которых экологические требования приобрели особую остроту.

Российские производители ДВС для автомобилей подтягиваются по ряду перечисленных технических решений к зарубежным фирмам (двигатели ВАЗ-2112, ЗМЗ-406, ЯМЗ-460), обеспечивая выполнение норм по экологии. Однако в целом отечественные автомобильные, и особенно тракторные двигатели по ряду важных показателей, включая экологические, по-прежнему отстают.

Применительно к тепловозным, судовым и стационарным дизелям особое значение имеет топливная экономичность и ресурс с учетом необходимости работы на тяжелых топливах с увеличенным содержанием серы и различных механических примесей, повышающих износ деталей цилиндропоршневой группы. Двигатели сельскохозяйственных, строительных, дорожных, горнодобывающих машин по техническим параметрам следуют за автомобильными с некоторым временным сдвигом.

Весьма бурно развиваются так называемые двигатели общего назначения. Двигатели данного типа в 2-тактном и 4-тактном исполнении, бензиновые и дизельные охватывают мощностной диапазон от 0,5 до 25 кВт. Они нашли широкое применение в устройствах, механизмах и машинах многоцелевого назначения. По оценочным данным, общее количество производимых в мире малоразмерных стационарных двигателей превышает 25 млн в год. В этом многообразии особое место занимают двигатели для профессионального инструмента, отличающиеся повышенной надежностью и ресурсом. Сформировался крут отечественных производителей средств механизации труда, вынужденных, к сожалению, применять двигатели зарубежного производства, так как двигатели, изготовляемые в настоящее время в России, не соответствуют требованиям по техническому уровню, качеству и ресурсу.

Отдельно стоит сказать о двигателях для малой авиации. Нельзя не отметить, что поршневое двигателестроение для летательных аппаратов в последние десятилетия утратило передовые позиции, которое оно занимало прежде по сравнению с поршневыми ДВС других типов и назначений.

В настоящее время и ближайшем будущем, говоря о техническом уровне поршневых ДВС в целом, следует ориентироваться, в первую очередь, на следующие укрупненные группы двигателей: автомобильные, тракторные (принудительного воспламенения и дизельные) с примыкающими к ним двигателями специального назначения, тепловозные и среднеоборотные дизели (в том числе судовые и стационарные), малооборотные судовые дизели с непосредственным приводом на гребной винт и двигатели общего назначения мощностью 0,5...25 кВт.

Как в прошлые годы в СССР, так и в настоящее время в Российской Федерации ощущается дефицит в двигателях практически всех типов и назначений. Обилие импортной техники с ДВС на российском рынке является тому красноречивым подтверждением. В некоторых случаях дефицит носит скрытый характер в связи с временным сокращением производства отдельных видов установок и оборудования с приводом от ДВС. Интегрирование России в мировое экономическое сообщество неминуемо приведет к обострению ситуации с обеспечением современными двигателями, обладающими высокими технико-экономическими показателями, многих важнейших отраслей народного хозяйства и обороны. Замыкание отечественного двигателестроения исключительно на внутренний рынок с затягиванием сроков введения международных норм по токсичности и шуму не является правильным направлением развития. Наличие огромного внутреннего рынка является скорее важным положительным сопутствующим фактором, облегчающим при разумной политике достижение современных мировых показателей в области ДВС. Здесь не стоит искать причин отставания отечественного двигателестроения за последние годы, можно лишь напомнить, что необходимость существенного повышения технического уровня отечественного двигателестроения была очевидна и 15 лет назад. В целом, с учетом многообразия областей применения ДВС, проблема выхода отечественного поршневого двигателестроения на мировой уровень является особо актуальной и весьма сложной.

Разумеется, авторы статьи не берут на себя смелость формулировать программу выхода отечественного поршневого двигателестроения на передовые рубежи. Однако о научно-технической стороне дела применительно к ДВС здесь можно говорить. Это тем более имеет смысл сделать, так как многие достижения научно-технического прогресса последних лет, которые могли бы существенно поднять технико-экономический уровень отечественного двигателестроения, еще не стали его достоянием. Речь идет о создании необходимого научно-технического задела в области интенсификации и повышения эффективности рабочих процессов в двигателе, разработке и освоении новых конструкторских решений, прогрессивных технологий и материалов с повышенными техническими характеристиками, а также микропроцессорное управление важнейшими физическими процессами в двигателе и диагностику его состояния.

В российском обществе наблюдается любопытная традиция в отношении к поршневым двигателям. Она состоит в том, что, несмотря на широчайшее применение поршневых двигателей в повседневной жизни общества, они неизменно оказываются в тени, как только речь заходит о двигателестроении в целом. На переднем плане неизменно оказываются ядерные установки, авиационные газотурбинные и ракетные двигатели. Когда же речь заходит об объемах сжигаемого топлива и проблемах экологии, то прежде всего вспоминают о поршневых ДВС, как главных виновниках загрязнения окружающей среды. Такая ситуация возникла не сегодня, а наводнение страны импортными моторами, и не только в составе автотранспортных средств, является одним из следствий традиционного невнимания общества, включая научно-техническую элиту, к поршневому двигателестроению. В то же время в промышленно развитых странах ситуация была и остается другой. Фирмы-изготовители ДВС в США, Европе и Японии широко используют последние достижения науки при создании новых и совершенствовании существующих моделей, результатом чего является непрерывный рост потребительских свойств последних (повышение надежности, снижение расхода топлива и токсичности). У нас же раздаются голоса о невозможности создания и организации производства отечественных двигателей, в частности автомобильных, с необходимыми потребительскими свойствами, отвечающими жестким международным нормам, прежде всего в области экологии.

Опыт мирового двигателестроения и анализ исследований, выполненных российскими учеными, указывают на то, что существует несколько способов совершенствования ДВС, в частности, с принудительным воспламенением смеси.

1. Повышение термического КПД путем:

2. Снижение механических потерь путем:

3. Снижение насосных потерь путем:

Правильное использование совокупности упомянутых выше технических решений может повысить топливную экономичность 4-клапанного двигателя до 25 % относительно базового.

Еще одним важнейшим направлением совершенствования ДВС является внедрение системы непосредственного впрыскивания бензина, которая в совокупности с мероприятиями по снижению механических потерь и электронным регулированием фаз газораспределения может обеспечить повышение топливной экономичности более чем на 20 %.

Для дизельных двигателей совершенствование процесса сгорания может быть достигнуто:

По мнению специалистов фирмы AVL, существенного снижения выбросов NOx можно добиться путем перепуска отработавших газов в сочетании с их охлаждением. Это техническое решение позволяет сохранить на исходном уровне содержание твердых частиц.

Проблема защиты окружающей среды оказывает постоянное и все возрастающее воздействие на поршневые двигатели. Это привело к необходимости поиска компромиссных решений, направленных на выполнение требований по ограничению токсичности отработавших газов и шума при обеспечении приемлемого уровня экономических, массогабаритных и других основных показателей двигателей.

Сложность и комплексность возникающих при этом задач, необходимость их решения в сжатые сроки делает неизбежным радикальное повышение роли математического моделирования в процессе разработки и создания новых образцов и совершенствования выпускаемых двигателей. Мощные пакеты прикладных программ (к сожалению, преимущественно иностранного происхождения) призваны коренным образом изменить весь процесс создания двигателя и разработки технологических процессов его изготовления.

Двигателестроение России, относящееся к одной из сложнейших областей машиностроения, в силу ряда причин, в том числе из-за раздробленности по многим отраслям, потеряло ряд специализированных производств деталей и узлов, определяющих качество ДВС; вызывает тревогу и сокращение кадров конструкторов и технологов. При этом катастрофически сократился объем экспериментальных исследований, столь необходимых при поиске путей совершенствования ДВС. Все это чревато потерей отечественным двигателестроением уровня качества, объемов выпуска и конкурентоспособности на мировом рынке.

В сложившейся обстановке простое вложение средств для вывода поршневого двигателестроения на мировой уровень на имеющейся производственно-технической базе не может дать требуемого результата.

Научно-технический анализ развития поршневых двигателей за рубежом свидетельствует о том, что и ряд ведущих фирм-производителей приступил к внедрению в конструкцию серийных ДВС новых принципиальных решений, обеспечивающих качественный скачок с выходом на гораздо более высокий уровень основных параметров. В качестве примера можно упомянуть о перспективных двигателях, уже сегодня обеспечивающих нормы EURO-4 или ULEV по токсичным выбросам: Zetec SE DISI с непосредственным впрыском бензина (Ford Motor), ISZ-FE с пятирежимным регулированием фазы впуска (Toyota), HONDA ULEV с освоенной в производстве системой регулирования фаз газораспределения и состава топливовоздушной смеси для каждого цилиндра в зависимости от режимов работы двигателя.

Для радикального улучшения основных параметров отечественных двигателей необходима реализация комплексных научно-технических решений, базирующихся на новых наработках в области электроники, вычислительной техники, нетрадиционных материалов, включая композиты, интерметаллиды и керамику. Только в этом случае можно сократить долгий поэтапный процесс освоения отдельных научных и технологических новаций. Сложность решения задачи во многом связана с положением, в котором оказалась отраслевая наука, включая НИИ и исследовательские подразделения на заводах. В несколько лучшем положении находится высшая школа, где не прерывался учебный процесс, в какой-то мере сохранились научно-педагогические кадры, способные при умеренной финансовой поддержке проводить научные исследования, столь необходимые для создания упомянутого выше научно-технического задела, на базе которого только и возможен выход отечественных ДВС на мировой уровень.

В сложившейся ситуации жизненно необходимым становится преодоление отраслевой разобщенности в проведении НИР в области двигателестроения, консолидация материальных и людских ресурсов на важнейших научно-технических направлениях, зачастую общих для всего двигателестроения. Следует добиваться также координации научных исследований, которые должны проводиться с учетом особенностей рыночной экономики.