РАЗВИТИЕ КОНСТРУКЦИИ ДВИГАТЕЛЕЙ НА УЛЬЯНОВСКОМ МОТОРНОМ ЗАВОДЕОткрытое Акционерное Общество "Волжские моторы" (прежнее название – Ульяновский моторный завод) специализируется на выпуске четырехцилиндровых бензиновых двигателей для автомобилей Ульяновского автозавода и автомобилей грузового ряда Горьковского автозавода. Производство автомобильных двигателей на предприятии было организовано в 1970 году после передачи двигателей ГАЗ-21А и ЗМЗ-451 с рабочим объемом 2,445 л с Заволжского моторного завода. К началу 90-х годов эти двигатели прошли несколько этапов модернизации и практически исчерпали свои возможности по дальнейшему повышению энергетических и топливно-экономических характеристик. В то же время необходимость улучшения потребительских качеств автомобилей УАЗ потребовала создания более мощных двигателей. В этой связи ОАО "Волжские моторы" был разработан и с 1996 года началось массовое производство двигателей серии 421.10 с рабочим объемом 2,89 л. Увеличение рабочего объема позволило поднять крутящий момент и мощность вновь освоенных двигателей до 22,5 кгсм и 110-115 л.с. соответственно против 17 кгсм и 80-90 л.с. на двигателях с объемом 2,445 л. С 1998 года двигатели модели 4215.10 начали поступать на комплектацию ряда модификаций автомобилей “ГАЗель” Горьковского автозавода. С недавнего времени карбюраторный вариант двигателя 2,89 л используется и на автопогрузчиках завода им. Кирова (г. Екатеринбург).С момента своего появления двигатели серии 421.10 (рабочий объем 2,89 л) приобрели достаточную популярность у потребителя. Большой крутящий момент выгодно отличает их от двигателей серии 417.10 (рабочий объем 2,445 л) особенно при использовании на автомобилях, эксплуатирующихся в условиях интенсивного движения на городских и загородных дорогах. Автомобили с двигателями 421.10 более динамичны и комфортабельны в управлении. Повышение рабочего объема получено за счет увеличения диаметра цилиндра до 100 мм с одновременным внедрением новой конструкции алюминиевого блока цилиндров с залитыми гильзами из чугуна. Двигатель 421.10 полностью взаимозаменяем с двигателями серии 417.10 и без каких-либо переделок устанавливается на автомобили прежних выпусков. В настоящее время доля двигателей 421.10 различных модификаций в объеме производства ОАО "Волжские моторы" превышает 60%, планируется дальнейшее наращивание их выпуска. Вместе с тем двигатели с рабочим объемом 2,445 л (наиболее массовая модификация - 4178.10) будут оставаться на конвейере еще достаточно продолжительное время, в связи с этим их конструкция продолжает совершенствоваться. В 2000 году система охлаждения этих двигателей унифицирована с двигателем модели 421.10, на часть двигателей устанавливается, обеспечивающий более стабильные характеристики, карбюратор Дмитровградского автоагрегатного завода. В 1990 году, с целью удовлетворения возрастающих требований к токсичности автомобилей, на заводе были начаты работы по двигателям с микропроцессорным управлением топливоподачей и зажиганием. С самого начала разработки за аналог системы управления двигателем была принята система "Мотроник Бош". В связи с применением электронного управления конструкция двигателей претерпела существенные изменения. К наиболее значимым можно отнести изменения в системах впуска и выпуска, где использованы впускные и выпускные трубы с настроенными длинами, что дало возможность повысить крутящий момент и мощность двигателей. Привязки элементов системы топливоподачи, датчиков регистрации рабочих режимов, размещение на двигателе высоковольтного контура системы зажигания также потребовало переработки деталей и узлов двигателя. С целью снижения расхода масла на угар внесены изменения в цилиндропоршневую группу, в комплектацию включены импортные поршневые кольца. Большой объем работ, связанных с отработкой системы управления, проводился совместно с ОАО "УАЗ" и ООО "НПП Элкар". В 1999 году заводом была завершена подготовка производства на объем 10000 шт./год двигателей с микропроцессорной системой управления. В 1999-2000 г.г. с конвейера сошли промышленные партии двигателей 4213.10 с рабочим объемом 2,89 л, а в 2001 году и модели 420.10 с рабочим объемом 2,445 л. Двигателями комплектовались товарные автомобили УАЗ, которые были успешно реализованы. В связи с введением в действие на территории РФ Государственного стандарта ГОСТ Р 41.83-99, определяющего требования к токсичности автотранспортных средств, ближайшей задачей для завода является отработка конструкции и внедрение в производство двигателей, удовлетворяющих нормам "Евро 2" в составе автомобилей Ульяновского и Горьковского автозаводов. В 2001-2002 г.г. ОАО "Волжские моторы" изготовило и представило на УАЗ и ГАЗ для широких испытаний опытные образцы двигателей 4213.10 и 4216.10 в системе выпуска которых используется каталитический нейтрализатор и датчик кислорода. Двигатели разрабатывались на базе уже подготовленного в производстве двигателя 4213.10, подтвердившего нормы "Евро 1" в составе автомобилей УАЗ.Краткая характеристика двигателей 420.10, 4213.10 и 4216.10 Модель двигателя 420.10 4213.10 4216.10 Число цилиндров 4 4 4 Рабочий объем, л. 2,445 2,89 2,89 Диаметр цилиндра / ход поршня, мм 92 / 92 100 / 92 100 / 92 Степень сжатия 8,2 8,2 8,2 Мощность номинальная кВт (л.с.) (брутто) при частоте вращения 4000 мин-1 75 (102) 85 (115,5) 85 (115,5) Максимальный крутящий момент Н.м (кгс.м) (брутто) при частоте вращения 3000-3500 мин-1 19 217,8 (22,5) 217,8 (22,5) Мин. удельный расход топлива по внешней скоростной характеристике, г/кВт-ч (г/л.с.-ч) 279 (205) 279 (205) 279 (205) Марка применяемого бензина А-92 А-92 А-92 Масса незаправленного двигателя, кг 175 170 172 Подготовка производства двигателей, обеспечивающих выполнение норм "Евро 2", начата в текущем году. Перед этим, в 2002 году, пришлось решить ряд проблем, выявившихся при стендовых и эксплуатационных испытаниях, а именно: - повышение герметичности соединения впускной и выпускной систем с головкой блока; - улучшение функционирования закрытой системы вентиляции картера; - размещение электрожгутов, катушек зажигания, тепловых экранов; - изменение калибровок микропроцессорного блока управления. Решение указанных проблем потребовало проведения большого объема стендовых испытаний и испытаний в составе автомобиля, при этом конструкция некоторых узлов двигателя подвергалась неоднократным изменениям. В связи с тем, что ряд компонентов российского производства не отвечает предъявляемым требованиям по надежности или качеству, а некоторые производятся в России в ограниченных объемах (например, форсунки), в комплектацию двигателя включены следующие импортные элементы: 1. Форсунки (фирмы "Сименс" и "Бош"). 2. Датчик положения дроссельной заслонки (фирма "Бош"). 3. Свечи зажигания (фирма "Бош" или фирма "Бриск", Чехия). 4. Поршневые кольца фирмы "Федерал Могул" (Германия). Двигатели 4216.10, по результатам проведенных испытаний, подтвердили нормы "Евро 2" на автомобилях семейства "ГАЗель", испытания двигателей 4213.10 в составе автомобилей УАЗ продолжаются. ОАО "Волжские моторы" уже к концу текущего года планирует завершить подготовку производства и предложить на комплектацию Ульяновскому и Горьковскому автозаводам двигатели, способные обеспечить в составе автомобиля требования ГОСТ Р 41.83-99 (в части ХХ). Замечание С точки зрения Госстандарта введение ГОСТ Р 41.83-99 в действие завершило объявленный в 1998 году переходной период для введения ужесточенных требований по токсичности. Однако, при готовности производства, поставки на рынок отечественных автомобилей и двигателей, отвечающих даже требованиям "Евро-1", фактически не начаты по вполне понятным причинам, как объективным, так и субъективным.Также следует ожидать, что производители автомобилей столкнутся на российском рынке с проблемами сбыта и техники, отвечающей требованиям "Евро 2". В настоящее время потребителя смущает то, что, заплатив более высокую цену за автомобиль, он не сможет его нормально эксплуатировать, так как:- техника заведомо более дорогая, в том числе в эксплуатации и обслуживании. Производство двигателей, уже уровня "Евро-1", потребовало серьезных изменений конструкции и значительных затрат на организацию производства. Себестоимость таких двигателей возросла минимум на 20%. Эти цифры нужно будет увеличить раза в полтора для двигателей, отвечающей требованиям "Евро-2".- пока еще не готова к приему такой техники инфраструктура эксплуатации;- для автомобилей с двигателями, оснащенными каталитическими нейтрализаторами, необходимы исключительно неэтилированные бензины. Между тем, продолжается производство и, фактически, неконтролируемое распределение по регионам этилированных бензинов.Развитие конструкции двигателей УМЗВремя и рынок требует пересмотра конструкции двигателя. Что можем предложить заводу на будущее - зависит только от количества средств, которыми мы в настоящее время располагаем для разработки новой конструкции и модернизации производства. Учитывая то, что возможности финансирование крайне ограничены, руководствоваться при создании новой техники вынуждены следующим - реально и в короткие сроки может быть освоена конструкция, которая потребует минимальных финансовых затрат на разработку и подготовку производства. Такие условия могут быть выполнены лишь: - при сохранении в новой разработке традиционных для завода базовых размеров (ход поршня, диаметр цилиндра, межцилиндровое расстояние); - при максимально возможной унификации по деталям собственного изготовления и покупным изделиям; - при использовании существующих технологических линий и процессов. Эти жесткие ограничения заставили принять при разработке новых моделей в качестве базовых находящиеся в производстве рядные 4-х цилиндровый бензиновые двигатели рабочим объемом 2,445 л и 2,89 л. Кроме того, при проектировании было принято следующее условие: двигатель будет востребован потребителем на российском рынке при минимальном увеличении его стоимости, но заметном повышение потребительских качеств. За основу, при оценке параметров, которым должна соответствовать новая конструкция, были взяты выданные УАЗом в октябре 1994 года и уточненные в марте 1997 года технические требования (ТТ) на разработку двигателей для автомобилей нового семейства. Характерной особенностью ТТ являлся высокий крутящий момент 23-24 кгсм при частоте вращения коленчатого вала 2000-3200 мин-1 и относительно низкая частота вращения 4500 мин-1 при номинальной мощности 136-150 л.с. Задан также минимальный удельный расход топлива по скоростной внешней характеристике 180-195 г/л.с.час, что сопоставимо с удельными расходами автомобильных вихрекамерных дизельных двигателей. В требованиях основной акцент был сделан на двигатель с микропроцессорной системой управления топливоподачей и зажиганием в связи с необходимостью удовлетворения перспективных норм на токсичность. Анализ технических требований показывал, что достаточно сложной задачей является получение высокого крутящего момента при низких оборотах и, одновременно, большой номинальной мощности, практически, без увеличения максимальных оборотов. Выполнение ТТ при таких условиях возможно либо на двигателе большого рабочего объема, либо при применении наддува.Двигатели с наддувом Наиболее быстрый способ достижения заданных ТТ параметров – разработка двигателя с наддувом. Такой вариант не накладывает особых требований к конструктивной схеме газораспределения и впускному тракту и, поэтому, может быть реализован на двигателях со штанговым приводом. Кроме того, в диапазоне рабочих оборотов до 4200 мин-1 согласование характеристик турбокомпрессора и двигателя не вызывает особых трудностей. Увеличение энергетических показателей двигателя 4213.10 (рабочий объем 2,89 л) в наддувном варианте могло бы составить 3...4 кгсм по моменту и 10-25% по мощности при тех же максимальных оборотах, что возможно без применения промежуточного охлаждения воздуха. В таком случае автозаводам не потребуется больших затрат на подготовку производства автомобиля под такой двигатель. Наддув может быть применен на двигателе меньшего рабочего объема, например, 2,455 л. Это даст возможность, повысив показатели по моменту, уложиться в приемлемые для массового автомобиля эксплуатационные расходы топлива. Работы по наддувному варианту двигателя 4213.10 начаты ОАО "Волжские моторы" совместно с "НАМИ" в 1999 году, но ведутся недостаточно интенсивно. В долгосрочной программе развития завода направление, основанное на наддувном варианте, сложно рассматривать как основное, так как базируется оно на устаревшей конструктивной схеме двигателя, стоимость которого значительно возрастет при применении агрегатов наддува.Двигатель 249.10. Особенности конструкции. Основные характеристики Для малотоннажных грузовиков "ГАЗель" и полноприводных вездеходов "УАЗ" двигатель, имеющий высокий крутящий момент во всем диапазоне рабочих частот является оптимальным с точки зрения получения хороших тягово-динамических характеристик. Такую характеристику крутящего момента можно получить на двигателях большого рабочего объема. При объеме 2,89 л., нижняя граница параметров, заложенных в технических требованиях УАЗа, вполне достижима и без применения наддува. Форсирование двигателя за счет дальнейшего увеличения рабочего объема или оборотов, при принятой размерности (100х92 мм), становится сомнительным. Остается один путь - увеличения мощности и крутящего момента за счет улучшения наполнения. Именно такой путь был избран при проектировании нового ряда двигателей, базовая модель которого получила обозначение 249.10. Действенный способ повышения наполнения, а значит и максимальной мощности двигателя - увеличение числа клапанов. Решающим фактором в отказе от такого варианта на первом этапе проектирования стали, определяемые ТТ, низкие обороты при номинальной мощности. При оборотах 4500 мин-1 мы не реализуем все выгоды многоклапанной схемы, но получим сложный и дорогой двигатель. Важно отметить также, что при 4-х клапанах на цилиндр максимальный крутящий момент растет значительно в меньшей степени на низких оборотах, а максимум крутящего момента смещается на 800-1000 мин-1 в сторону больших частот вращения. Если еще принять во внимание сложность в освоении и изготовлении 16-ти клапанной головки, то выбор газораспределительного механизма с одним распределительным валом и прямым приводом двух клапанов на цилиндр полностью оправдан. Такая схема имеет также лучшие показатели по шуму и минимальную номенклатуру оригинальных деталей. Разнесенные на разные стороны головки впускные и выпускные каналы дают возможность значительно увеличить проходные сечения и получить оптимальную геометрию впускных каналов; имеющийся диаметр цилиндра - применить клапана с большими диаметрами тарелок, а значит добиться высокого коэффициента наполнения. При проектировании двигателя эти условия были в полной мере реализованы. Уже на опытных образцах были подтверждены коэффициенты наполнения: при частоте вращения соответствующей максимальному крутящему моменту - около 0,65, при номинальной частоте вращения (4500 мин-1) он также достаточно высок - более 0,55. Оптимизация формы впускных каналов с точки зрения повышения коэффициента наполнения и обеспечения в канале движения заряда, приводящего к образованию в камере сгорания более интенсивного массотеплообмена, обеспечило бездетонациионную работу двигателя на высокой, для цилиндра диаметром 100 мм, степени сжатия до 9,2 (на бензине А-92). Все это позволило получить максимальную мощность в пределах 148-151 л.с. при использовании всего 2-х клапанов на один цилиндр. При проектировании головки цилиндров, из условия использования имеющегося оборудования для обработки основных отверстий в головке цилиндров, была выбрана камера сгорания плоскоовальной формы, расположение клапанов – вертикальное с координатами центров клапанов относительно оси цилиндров, совпадающими с аналогичными координатами серийной головки. Распределительный вал чугунный с отбелом кулачков, закреплен в пяти опорах головки цилиндров. Воздействие кулачков распределительного вала на клапаны осуществляется через гидротолкатели. Клапанные пружины (по 2 на каждом клапане), тарелки, сухари, колпачки, гидротолкатели использованы от двигателей, выпускающихся серийно в РФ.Привод распределительного вала изначально предусматривался в 2-х вариантах: плоскозубчатым ремнем шириной 25,4 мм и двухрядной цепью.Ременный привод был испытан в стендовых условиях и прошел предварительные испытания на автомобиле, где показал хорошую работоспособность (на макетных образцах) и благоприятные показатели по шуму. Однако в качестве основного варианта принят привод двухрядной втулочнороликовой цепью из-за большей надежности. Его разработка велась из условий максимальной простоты в изготовлении и обслуживании. Все двигатели в настоящее время собираются с цепным приводом, хотя в компоновке осталась возможность использования и ременного привода. Алюминиевый блок с залитыми тонкостенными чугунными гильзами имеет достаточную прочность и структурную жесткость, которые допускают форсирование двигателя до 165 - 175 л.с. и момента 25 - 26,5 кгсм без потери ресурса и ухудшения показателей по шуму. Его конструкция и основные размеры мало отличаются от блока 421 двигателя, что дает возможность обрабатывать его на тех же линиях. В расточку в блоке установлен промежуточный вал, от которого осуществляется привод маслонасоса. Маслонасос применен с серийно выпускаемых двигателей. Длина шатуна 175 мм достаточно большая для современного двигателя. Для того чтобы создать более легкий и компактный двигатель хотелось ее уменьшить, но тогда пришлось бы отказаться от возможности использовать целый ряд линий по обработке блока цилиндров и шатуна. Практически полностью унифицированы с серийно изготавливаемыми коленчатый вал, шатуны, вкладыши шатунные и коренные, маховик, картер сцепления и ряд других деталей. Оригинальными являются головка блока, привод агрегатов, газопроводы, крышки газораспределительного механизма. К настоящему времени изготовлено более 50 шт. образцов 3-й опытной серии. Проведен значительный объем доводочных работ. Стендовые испытания в 2002-2003 г были направлены в основном на совершенствование цилиндро-поршневой группы, т.к. значительная степень форсирования двигателя обусловливает высокие термические и динамические нагрузки на поршень, поршневые кольца, гильзы, блок цилиндров и другие узлы и детали. К настоящему времени полностью решены задачи по исключению задиров юбок поршней, поломок и коксованию в канавках верхних поршневых колец, создана конструкция поршня, обеспечивающая прочность при работе двигателя на режиме испытаний на безотказность в течение 400 часов (максимальная нагрузка при частоте 4500 мин-1). Степень отработки конструкции обеспечивает стабильные показатели по мощности, моменту и удельному расходу топлива. Достигнутые значения приведены в таблице. Показатели Значение Рабочий объем, л 2,89 Степень сжатия 8,8 Номинальная мощность брутто по ГОСТ 14846-81 при 4500 мин-1, л.с. 146…151 Максимальный крутящий момент брутто по ГОСТ 14846-81, кгсм:при 1000 мин-1при 2200-2500 мин-1при 3500-3800 мин-1 16…182324,5…25,5 Мин. удельный расход топлива по скор. внешней характеристике, г/л.с.час. 200...203 Вес двигателя со сцеплением, кг 175 Завершены дорожно-эксплуатационные испытания двигателей 249.10 на 5-ти автомобилях УАЗ различных модификаций. Пробеги автомобилей с указанными двигателями составляют от 60 тыс. км до 145 тыс. км. Каких-либо серьезных неполадок в процессе испытаний не обнаружено.В 2002-2003 г.г. совместно с ООО "НПП Элкар" проведены работы по адаптации блока управления и двигателя к автомобилю УАЗ-3162, подтверждено выполнение норм "Евро 2" по токсичности. В последнее время наблюдается усиление (наряду с токсичностью) интереса к шуму автотранспорта со стороны государственных контролирующих органов. Борьба с шумом тяжела, потому что обычно требуется вносить серьезные изменения в конструкцию, а это оказывается значительно сложнее и дороже, чем тратиться на работы по его снижению еще на стадии проектирования. Поэтому в течение 2000-2001 г.г. были проведены исследования на моторном стенде виброакустических характеристик двигателя и отдельных источников шума. Проведена их классификация по значимости в общем шуме двигателя. По результатам испытаний внесены изменения в конструкцию узлов и деталей, позволившие снизить уровень шума на некоторых режимах на 3 дБа.С целью более полного удовлетворения запросов потребителей рассматривается возможность расширения модельного ряда двигателя 249.10. Без особых затрат и сложностей в производстве может быть освоена модификация с рабочим объемом 2,445 л. Занять свою нишу на рынке она сможет, если дополнительно будет иметь качества, которых лишены двигатели серии 2,89 л. Это простота и дешевизна ремонта, которые, по нашему мнению, обеспечиваются при применении вставных гильз цилиндров. По такой схеме изготовлен и испытан макетный образец двигателя размерностью 92х92 мм. При создании двигателя 249.10 была поставлена и решена задача достижения максимально возможной конструкторской и технологической преемственности с выпускаемыми ОАО "Волжские моторы" двигателями серий 2,89 л. и 2,445 л. Выполнение этого условия позволяет снизить до минимума затраты на подготовку производства нового двигателя. К тому же, его стоимость должна быть относительно невысока, т.к. трудоемкость изготовления деталей и двигателя в целом ниже, чем двигателя в 16-ти клапанном исполнении с такими же выходными характеристиками и аналогичным рабочим объемом. Относительно малая масса (175 кг) и габариты позволяют установить двигатель 249.10 достаточно удобно на любом типе автомобилей УАЗ и ГАЗ. При применении двигателя 249.10 автомобили "ГАЗель" и "УАЗ" значительно улучшают скоростные, динамические и топливно-экономические показатели. Снижается трудоемкость их технического обслуживания.Сегодня завод имеет возможность изготавливать двигатель 249.10 малыми сериями в количестве до 1000 шт. в год.^ Возможности дальнейшего развития двигателя 249.10 Двигатель 249.10 может и должен стать основой для производства и дальнейшего развития на ближайшие 10 лет, т.к. в его конструкцию изначально были заложены значительные резервы для совершенствования. Определены направления модернизации двигателя, которые предусматривают повышение энергетических показателей и улучшение топливной экономичности, повышение надежности и ресурса, снижение шума и вибраций, выполнение перспективных экологических норм "Евро 3" и "Евро 4", что является необходимым условием успешного развития ОАО "Волжские моторы". В разработке находятся ряд конструктивных решений, которые существенно затрагивают конструкцию двигателя и позволят, по нашим оценкам, на четырехцилиндровом рядном ДВС получить значения максимальной мощности и крутящего момента, не хуже соответствующих показателей шести и восьмицилиндровых двигателей того же рабочего объема. В настоящее время уже отработана компоновка с применением 16-клапанной двух вальной головки цилиндров, механизма регулирования фаз газораспределения, сварного выпускного коллектора, что позволит значительно улучшить потребительские свойства автомобилей и подтвердить нормы "Евро 3". Следующим этапом в конструкцию двигателя могут быть внедрены механизм регулирования впускной системы и механизм уравновешивания сил инерции второго порядка.Компоновка двигателя предусматривает возможность установки на все автомобили УАЗ и ГАЗ без доработки подкапотного пространства и систем автомобиля. Одним из существенных изменений которое было сделано для обеспечения полной взаимозаменяемости с двигателями других производителей - перенос выпускного коллектора на левую сторону по ходу автомобиля.В связи с направлением на существенное повышение энергетики двигателя определены варианты усиления блока цилиндров и коленчатого вала. Увеличение жесткости блока цилиндров и несущей способности коленчатого вала возможно при установке единого картера коренных опор. Результаты испытаний на опытных образцах показывают, что такая конструкция позволяет значительно повысить энергетические параметры двигателя без потери ресурса и снижения виброакустических характеристик. Оценивая конструкцию в целом, а также имеющиеся результаты стендовых и дорожных испытаний на автомобилях УАЗ 3160, 3162 можно утверждать, что выбранное в свое время направления на увеличение рабочего объема до 2,89 литра выпускаемых ОАО "Волжские моторы" двигателей, а также переход на этой базе к конструкции двигателя с верхним распределительным валом, в полной мере себя оправдали.