Две важнейшие проблемы, которые сегодня волнуют все человечество: исчерпание ресурсов жидкого углеводородного топлива и загрязнение атмосферы, самым непосредственным образом связаны с автомобилестроением. Только в нынешнем году российские автозаводы построили около 750 тыс. легковых автомобилей, а с учетом ввезенных в страну иномарок парк автотехники вырос примерно на 900 тыс. единиц. За это же время было выведено из эксплуатации не более полумиллиона автомобилей. Перед создателями перспективных двигателей внутреннего сгорания стоит задача резкого повышения их топливной эффективности в сочетании со снижением токсичных и нетоксичных выбросов.

На рубеже XXI века произошли коренные изменения во взглядах на облик автомобильных дизелей. Ушли в прошлое дизельные двигатели с разделенными камерами сгорания. Новые модели дизелей (в том числе и для легковых автомобилей) имеют нераздельные камеры сгорания (непосредственного впрыскивания).

Для новых моделей характерны осесимметричный процесс смесеобразования, 4-клапанное газораспределение, турбонаддув (обязательно управляемый у дизелей, предназначенных для легковых автомобилей) с промежуточным охлаждением воздуха. Типичными чертами топливных систем стали высокое давление впрыскивания и возможность гибкого управления.

Дизели для грузовых автомобилей имеют умеренную частоту вращения на номинальном режиме (1900…2100 мин-1). В высокооборотных дизелях легковых автомобилей (4500 мин-1 и более) для уменьшения шума осуществляют предварительное впрыскивание малых доз топлива (1,5…3 мм3/цикл). Ведутся работы по созданию системы, обеспечивающей многократное впрыскивание с оптимально подобранными интервалами, которое обеспечивает значительное снижение выбросов твердых частиц.

Под действием все более жестких норм по вредным выбросам совершенствуются формы камеры сгорания грузовых автомобилей. В конструкциях прошлых лет использовались смещенные относительно оси цилиндра распылители, через которые впрыскивались 5-6 струй и применялись достаточно глубокие камеры сгорания сравнительно небольшого диаметра. В настоящее время распылители расположены на оси неглубоких камер сгорания большого диаметра и впрыскивают до 8 струй. Такая организация смесеобразования обеспечивает одинаковые условия сгорания для всей порции впрыскиваемого топлива и способствует снижению выбросов твердых частиц и других продуктов неполного сгорания.

В дизелях легковых автомобилей применяются камеры сгорания с суженной горловиной, относительный диаметр которой близок к 0,5. Анализ результатов испытаний показал, что наиболее оптимальной является камера с применением тангенциальных и винтовых впускных каналов с достаточно интенсивным вращением заряда относительно оси цилиндра. При вытеснении заряда из надпоршневого пространства под горловиной создается вторичный вихрь. Струи подаются в зоны повышенной турбулентности под горловиной камеры сгорания. Давление впрыскивания достаточно высокое - от 1300 до 1600 МПа.

В обоих типах дизелей размеры камеры сгорания, плотность заряда в цилиндре, диаметр силовых отверстий давления и характер впрыскивания (а нередко и интенсивность вихревого движения заряда) оптимизируется таким образом, чтобы жидкое топливо не ложилось на стенки камеры.

Из внутрицилиндровых способов снижения вредных выбросов наиболее часто применяются рециркуляция части отработавших газов (ОГ) и задержка начала впрыскивания. При мелком распыливании и оптимизированном процессе смесеобразования задержка начала впрыскивания не ведет к заметному ухудшению экономичности и повышению дымления дизеля.

Большинство моделей дизелей удовлетворяет нормам Евро-3 без применения внецилиндровой обработки выпускных газов. В некоторых моделях нормы Евро-3 выполняются с применением рециркуляции части отработавших газов. Увеличение относительного количества рециркулируемых газов применяется при малых нагрузках на дизель. Для выполнения перспективных норм по вредным выбросам (Евро-4 и Евро-5) наметились два основных метода решения проблемы.

Первый из них предусматривает применение управляемых топливных систем, обеспечивающих высокое давление впрыскивания (до 200 МПа и более), мелкое распыливание топлива, смесеобразование, при котором минимизируются выбросы твердых частиц. Кроме того на выпуске используются нейтрализаторы типа DеNОx, активно восстанавливающие оксиды азота (активным веществом в таких нейтрализаторах является мочевина).

Реализацию первого метода могут обеспечивать топливные системы следующих типов: насос-форсунки с механическим приводом и дозированием топлива с помощью электромагнитных (ЭМ) клапанов; аккумуляторные топливные системы (АТС) с электроуправляемыми гидроприводными насос-форсунками; аккумуляторные топливные системы с механическим приводом плунжера, аккумулятором, расположенным в насос-форсунке, и двумя ЭМ клапанами, один из которых управляет величиной хода плунжера до начала перепуска топлива (и давлением в аккумуляторе), а второй - подъемом иглы распылителя.

Второй метод предусматривает применение управляемых топливных систем, обеспечивающих умеренно высокие давления впрыскивания (130…160 МПа) и отличающихся менее интенсивным процессом смесеобразования и тепловыделения. В таких системах также осуществляется рециркуляция части выпускных газов и задержка начала впрыскивания, обеспечивается "мягкий" процесс (предварительный и ступенчатый впрыск). В выпускных трактах предусматривается использование регенерируемых фильтров твердых частиц и окислительных нейтрализаторов.

В этом случае чаще всего для впрыскивания топлива применяются секционные насосы, расположенные вблизи цилиндров и поэтому соединенные с форсунками короткими топливопроводами. Дозирование осуществляется с помощью ЭМ клапанов, широкое распространение получили АТС с электрогидравлическими форсунками.

Существенное усложнение конструкции дизелей как в первом, так и во втором случае оказывается необходимым, в частности, по той причине, что уже в нормах Евро-4 предусматривается снижение выброса твердых частиц в пять раз по сравнению с нормами Евро-3.

Одновременно ведутся работы по радикальному снижению содержания в топливе серы (до 20…30 чнм) и уменьшению попадания масла в камеру сгорания, так как именно наличие масла, сгорающего в камере, и высокое содержание в топливе серы являются основными причинами появления твердых частиц в отработавших газах.

К сожалению, в связи с известными трудностями новинки (в том числе результаты работ, проводившихся в МАДИ) на заводах внедряются медленно.

ОАО КамАЗ и ЯМЗ подготовили ряд образцов дизелей, сертифицированных по нормам Евро-2. Этого удалось добиться благодаря переходу на модели с охлаждаемым наддувом, уменьшению "вредных" объемов камер сгорания, форсированию применяемых топливных систем разделенного типа по давлению впрыскивания и др. В настоящее время ведутся работы по применению секционных встроенных в дизель насосов с управлением подачей топлива при помощи ЭМ клапанов. Начаты также работы по созданию АТС с электрогидравлическими форсунками.

Дизели для легковых автомобилей ВАЗ с рабочим объемом 1,5…1,9 л выпускаются АО "Барнаултрансмаш". Они относятся к типу двигателей с разделенной (вихревой) камерой сгорания и одноплунжерным ТНВД распределительного типа (фирмы Bosch). Для легковых автомобилей "Москвич" и ВАЗ предполагается закупка дизелей фирмы Renault. ОАО ГАЗ приступило к выпуску дизелей по лицензии фирмы Steyr с насос-форсункой и электронным регулятором частоты вращения.

Для грузовых автомобилей средней грузоподъемности и автобусов средней вместимости (типовой представитель ЗИЛ-5301) требуется четырех- или шестицилиндровый дизель рабочим объемом 4…6 литров. Производства таких дизелей в Российской Федерации нет. Потенциальным производителем является АО "Автодизель" (Ярославль), разработавшее образцы дизеля серии 530 с диаметром цилиндра 102 мм и ходом поршня 122 мм, которые проходят испытания. Дизель имеет высокий наддув, обеспечивающий максимальное среднее эффективное давление, равное 2 МПа. Он укомплектован индивидуальными (встроенными в блок цилиндров) топливными насосами высокого давления и электронным регулятором частоты вращения.

Большегрузные автомобили и автобусы большой вместимости комплектуются восьмицилиндровыми дизелями нескольких семейств с рабочим объемом от 6 до 18 литров. Традиционными производителями являются АМО-ЗИЛ, АО "Автодизель" и АО "КАМАЗ".

Автомобили особо большой грузоподъемности (типовой представитель - самосвалы БелАЗ) комплектуются 12-цилиндровыми дизелями с рабочим объемом 22…27 л. Производством таких дизелей занимаются АО "Тутаевский моторный завод" и АО "Автодизель".

Повышение топливной экономичности и выполнение нормируемых экологических показателей остаются основными направлениями, определяющими развитие бензиновых двигателей.

Хотя отечественная автопромышленность существенно отстает от Запада, ведущими российскими заводами подготовлены модели автомобилей, которые обеспечивают выполнение норм Евро-3 (применение нейтрализаторов отработавших газов и микропроцессорное управление). Однако уже в ближайшие годы потребуется наладить производство автомобилей, удовлетворяющих нормам Евро-4.

Все известные концепции бензиновых двигателей, которые могут удовлетворить нормам Евро-4, предусматривают внедрение коренных изменений в конструкцию двигателей и существенное развитие систем управления.

Нормы Евро-4 не могут быть выполнены без создания двигателей с гибким многопараметрическим управлением рабочим процессом и использования адаптивных самонастраивающихся и самообучающихся систем управления.

Более того, создание конкурентоспособных моделей автомобилей потребует применения электронных информационно-управляющих комплексов, объединяющих управление автомобилем и двигателем. Неизбежным следствием этого станет увеличение стоимости отечественных автомобилей, что может привести к потере конкурентоспособности.

К настоящему времени разработано большое число вариантов устройств, позволяющих управлять протеканием важнейших процессов, происходящих в двигателе и, в частности, процессами газообмена, подачи топлива, смесеобразования, воспламенения, сгорания, наддува, образования токсичных веществ, полнотой превращения теплоты в работу, а также охлаждением, степенью сжатия, рабочим объемом и др.

Соответствующее управление рабочими процессами необходимо не только на установившихся режимах работы двигателя, но и, тем более, на переходных режимах. Сегодня основная доля токсичных выбросов двигателей автомобилей, оснащенных достаточно эффективными нейтрализаторами ОГ, выбрасывается в атмосферу при работе двигателей на неустановившихся режимах.

В программных и программно-адаптивных системах управление строится на основе информации, получаемой в предыдущий момент времени, т.е., как минимум, в предыдущем рабочем цикле. Для оптимизации работы двигателя на переходных режимах необходимо строить управление с упреждением.

В частности, большие возможности по улучшению динамического управления бензиновыми двигателями связаны с заменой механической связи "педаль газа - орган, управляющий наполнением двигателя" (дроссельная заслонка) на электрическую связь. В этом случае появляется возможность корректировки закона изменения наполнения двигателя в функции от времени и, соответственно, прогнозирования необходимого воздействия на рабочие процессы двигателя. Другая возможность прогнозирования управления связана с переходом от управления "по наполнению" (по цикловому расходу воздуха) к управлению "по крутящему моменту".

Разработка требований к свойствам перспективных топлив становится весьма актуальной задачей для двигателестроения в целом. Химические и эксплуатационные свойства нефтяных топлив (вязкость, плотность, сжимаемость, прокачиваемость, воспламеняемость, низкотемпературные свойства и др.) обеспечивают современным двигателям надежный пуск и подачу, а также качественное смесеобразование на всех режимах работы в широком диапазоне изменения внешних условий.

Вместе с тем, в настоящее время расширяются масштабы применения топлив с измененными показателями качества, смесевые топлива и др. Помимо газовых топлив во все возрастающем объеме будут использоваться искусственные (синтетические) топлива из угля и природного газа, эфиры растительных масел, низшие спирты и др. Это связано как с удорожанием нефтепродуктов и истощением соответствующих ресурсов, так и с ужесточающимися требованиями к показателям качества топлив.

Совершенствование рабочего процесса и конструкции двигателей неизбежно ведет к тому, что свойства топлив все в большей степени становятся "лимитирующим" фактором для выполнения жестких требований по нормам токсичности отработавших газов.
В ближайшем будущем перспективные топлива будут представлять собой углеводородную основу, (производимую из нефти, угля, газа или растительного сырья) с добавлением различных компонентов (эфиров, спиртов, специальных присадок и пр.), обеспечивающих заданные показатели.

Весьма актуальной задачей для России является использование в автомобильных двигателях газовых топлив как с позиции экологии, так и с позиции рационального использования топливных ресурсов страны. В части использования этих топлив в ДВС в стране ведутся широкие исследования, и здесь достаточно значительную работу по конвертации дизелей на газовое топливо выполняет кафедра "Теплотехника и автотракторные двигатели" МАДИ (ГТУ).