Многие из нас, наверное, знают, что двигатель внутреннего сгорания, был изобретен достаточно давно, дело это было аж в позапрошлом веке. За время прошедшее с того момента было предложено множество оригинальных конструкторских решений, казалось бы, способных перевернуть все понятия двигателестроения. Переворота все же не произошло, и наш хороший знакомый - кривошипно-шатунный поршневой двигатель не спеша, завоевал весь мир. Однако о неформалах мира двигателей поговорить все-таки стоит.
Одну из оригинальных конструкций
двигателя внутреннего сгорания предложили наши соотечественники. Конструкция
эта достаточно не обычна и называется - роторно-волновой двигатель. Давайте
сперва разберемся, из каких элементов эта хитрая конструкция состоит и как она работает,
а потом поговорим обо всех преимуществах и недостатках.
Основой для двигателя служит корпус(1), достаточно не обычной формы, на внутренних поверхностях которого выполнены специальные винтовые каналы. Внутри корпуса находится полый ротор(2), имеющий на своей поверхности такие же винтовые каналы. Пустотелый ротор и вал отбора мощности(3), соединены между собой с помощью шарнира равных угловых скоростей (ШРУСа)(4). Обратите внимание, что в правой части полого ротора находится механизм, состоящий из блока шестерен(5) и эксцентрика (6). Благодаря нему ротор имеет возможность совершать обкатывание по винтовой поверхности корпуса. Весь же двигатель условно делится на три основные части: компрессорный отсек(А), камера сгорания(Б) и расширительный отсек(В).
От конструкции двигателя плавно переходим к рассмотрению рабочего процесса Двухгипотрохоидного РВД, где двухзаходный корпус работает в совокупности с однозаходным ротором, а заключается он в следующем. Как только вал отбора мощности начинает совершать вращательные движения в полости, находящиеся между винтовыми каналами ротора и корпуса, в компрессорном отсеке, начинает засасываться воздух. Так как мы рассматриваем совместную работу двухзаходного корпуса и однозаходного ротора, то за один оборот вала отбора мощности в комперссорный отсек будет попадать две порции воздуха.
После того как воздух был захвачен и отсечен от окружающей среды, он направляется по винтовому каналу в камеру сгорания, испытывая всестороннее сжатие. Туда могут быть добавлены дизельные присадки . Это обусловлено тем, что высота винтовых каналов ротора и корпуса уменьшается, приближаясь к камере сгорания. После того как воздух прошел стадию сжатия он поступает непосредственно в камеру сгоранию, одновременно с этим происходит впрыск топлива.
Для поджигания горючей смеси в камере сгорания предусмотрена свеча, правда, она необходима только для первого воспламенения. Так как в дальнейшем сжигание смеси будет происходить только за счет горячих газов, оставшихся в камере сгорания. После того как произошло превращения топливной смеси в горячий газ, последний направляется в винтовые каналы расширительного отсека, имея в своем арсенале огромное давление и температуру.
Расширительная камера представляет собой полную противоположность компрессорной камере - высота каналов по ходу движения газов у нее только увеличивается. За счет этого и происходит полезная работа, так как, расширяясь, газы, заставляют вращаться ротор. Правда часть полученной мощности теряется при сжатии очередной порции воздуха необходимой для "огненного сердца".
Следует сказать о том, что выше мы рассмотрели наиболее упрощенную конструкцию роторно-волнового двигателя. Существуют двигатели такого типа с пятизаходным корпусом и четырехзаходным ротором. Причем такие многозаходные конструкции могут играть роль редукторов, так как при четырех обкатываниях ротора по винтовой поверхности корпуса выходной вал совершит только один полный оборот. То есть сам двигатель позволяет поднять крутящий момент в четыре раза, что согласитесь не так уж и мало.
Еще одно преимущество двигателя скрывается в минимальном количестве пар трения. Фактически трение присутствует только в подшипниках, на которых закреплен вал отбора мощности да в ШРУСе. А как же потери связанные с тем, что ротор обкатывается по корпусу, спросите вы? Эти потери просто отсутствуют, волны ротора "расходятся" на минимально возможном расстоянии с волнами корпуса. К достоинствам следует отнести и малую массу такого типа двигателей. Ведь посмотрев на схему, вы не обнаружите ни газораспределительного механизма, ни тяжелого маховика, ни коленчатого вала. Так как ротор сам по себе является простейшим газораспределительным механизмом, а маховик роторно-волновому двигателю не нужен, потому что в нем просто-напросто отсутствует знакопеременное движение. Благодаря малому количеству деталей и их небольшой массе роторно-волновой двигатель способен развивать обороты в диапазоне от 3000 до 30000 об/мин.
О всеядности этого двигателя поговорить следует отдельно. Ведь в принципе высокооктановое топливо роторно-волновому двигателю необходимо только в момент запуска, как только камера сгорания прогреется, то в нее можно фактически подавать любую горючую жидкость, главное чтобы в процессе горения выделялись горячие газы необходимые для вращения ротора.
У этого типа двигателей есть один существенный минус, который в принципе и мешает его мировому распространению - это высокая технологичность, а соответственно и еще большая себестоимость готовой продукции. Так что большое количество плюсов перекрывается одним жирным минусом.
Идея создания бесшатунного поршневого двигателя родилась в нашей стране достаточно давно. События происходили на рубеже трицатых-сороковых годов в конструкторском бюро, где занимались вопросами разработки и постройки авиационных двигателей. Один из конструкторов этого закрытого предприятия предложил тогда отойти от привычной для нас схемы двигателя внутреннего сгорания, где поршень и коленчатый вал соединены между собой с помощью шатуна. Конструктором этим был С. Баландин, а разработал он новый тип двигателя внутреннего сгорания - бесшатунный ДВС, который позже назвали двигателем Баландина.
Для того чтобы понять, как работает это чудо инженерной мысли, сперва взгляните на рисунок. Двигатель состоит из следующих частей: 1,2,3,4 - поршни, 5,6 - подшипники, 7,8 - консольные валы, с опорами для коленчатого вала, 9,10,11,12 - шестерни механизма синхронизации, 13 - коленчатый вал, 14,15 - ползун, 16 - вал отбора мощности.
Теперь давайте посмотрим, как все эти составные части взаимосвязано работают. Итак, представьте, что в камеру сгорания первого цилиндра попадает топливно-воздушная смесь, сначала происходит ее постепенное сжатие, а за тем возгорание. Резко возросшее давление горячих газов заставляет перемещаться поршень 1 и жестко связанный с ним ползун 14 вниз. Зародившееся движения сразу же выводит из состояния покоя коленчатый вал 13, так как все возрастающее давления со стороны ползуна заставляет его вращаться вокруг опор, которые расположены на консольных валах 7 и 8. В свою очередь достаточно сложное планетарное вращения коленчатого вала 13, моментально заставляет совершать вращательные движения и консольные валы 7,8. В результате этих хитросплетений взаимных перемещений, возникает крутящий момент, который через синхронизирующие шестерни 9,10,11,12 передается на вал отбора мощности 16.
Конструкция, рассмотренная нами выше, по теории Баландина должна была иметь высокий механический КПД равный приблизительно 94-м процентам, в то время как обычный, то есть шатунный двигатель внутреннего сгорания мог похвастаться только 85-и процентным КПД. Кроме высокого КПД двигатель должен был обладать следующими ниже преимуществами. Во-первых, это уменьшение нагрузки на поршни, так как в отличие от шатунного двигателя, они во время движения не перекашивются, вследствие чего и отсутствует трение поршня о стенку цилиндра. Во-вторых, есть возможность использования подпоршневого объема для нагнетания воздуха, либо для организации рабочего процесса. В-третьих, существует возможность отказа от маховика, так как поршни и ползуны обладают достаточной массой, а значит и инерционностью.
Казалось бы, сколько много у этого двигателя преимуществ по сравнению с шатунным, но почему же он до сих пор не был запущен в серийное производство? А дело все в следующем. Проблемы с этой конструкцией начались почти сразу же после постройки первых прототипов. Они категорически сопротивлялись работать, "первенцев" заклинивало практически после первых оборотов коленчатого вала. Но после того как эта проблема была решена, дело тогда было в задире поршней, начались новые неприятности - двигатель отказывался нарабатывать положенный моторесурс. На сей раз, виной всему стал чрезвычайно сильный износ направляющих ползунов. Тогда же столкнулись и с трудностью подачи смазки к ползунам и их направляющим.
Множество проблем связанных с доводкой двигателя привели к тому, что большое число конструкторов первоначально подхвативших идею Баландина, отказались от дальнейших работ в этой области. Да плюс ко всему прочему двигатель был очень сложен с технологической точки зрения. Так как в моторе использовалось множество взаимосвязанных элементов, то и допуски на размеры этих деталей должны были быть минимальны, а иначе работоспособность двигателя была бы под большим вопросом. Следует так же сказать, что большинство моторостроительных предприятий в нашей стране не могло похвастаться высокоточным оборудованием необходимым для производства бесшатунных двигателей. Но если даже представить, что производство этих необычных агрегатов и было бы освоено, то цифры их себестоимости удивляли, я думаю, не меньше чем конструкторские решения.
В современном мире стало модно
быть, экологически чистым. Буквально все твердят об экологической чистоте. Первым
делом этот вопрос сказался на автомобильном транспорте, не даром большинство
современных автомобилей соответствуют нормам Евро 4. Даже в нашей природа не
любивой стране были введены нормы Евро 2. Деньги на совершенствование
экологической безопасности автомобилей тратятся огромные, они идут на совершенствование
систем впрыска, разработку новейших нейтрализаторов, а так же производство
новейших видов топлива. Обо всем выше сказанном знают, наверное, многие, а вот
о том, что разработкой экологически чистого двигателя в 60-х годах прошлого
столетия занимался профессор Кущуль работающий в Ленинградском институте
авиационного приборостроения, знают единицы.
Двигатель, построенный профессором при первом взгляде, напоминал обычный 6-ти цилиндровый V образный двигатель с малым углом развала цилиндров. Но это только при первом взгляде. На самом деле были и кардинальные отличия. Двигатель состоял: из хорошо знакомых нам поршней 1,2, шатунов не стандартной конструкции - 3,4, маховика - 5, блока цилиндров 6. Отличительной особенностью данного двигателя было перепускное окно 7, соединяющее между собой параллельные цилиндры.
Для того чтобы понять все достоинства и недостатки двигателя Кушуля давайте рассмотрим его рабочий процесс. Впуск - поршни, как и на "обычном" двигателе идут вниз, но вся разница в том, что один цилиндр "питается" сильно переобогащенной топливно-воздушной смесью, а второму перепадает только чистый воздух и ни грамма топлива. Сжатие - поршни идут вверх, сжимая находящееся внутри цилиндров "добро". Причем поршни идут с небольшой разницей, первый впереди второго на 20-30 градусов. То есть когда в первом цилиндре происходит зажигание топливно-воздушной смеси, поршень 2 находится в 30-40 градусах от в.м.т.. Рабочий ход - поршень 1 начинает движение вниз под действием расширяющихся газов, в то время как поршень 2 еще продолжает свое движение вверх и сжимает находящийся в цилиндре воздух. Через некоторое время поршни выстроятся "в линию", и давление над поршнями 1 и 2 будет иметь примерно одинаковое значение. Но рабочий ход продолжается и поршень 1 движется вниз, давление горячих газов над ним при этом уменьшается, а поршень 2 все еще продолжает двигаться вверх и сжимать находящийся в цилиндре воздух. Из-за большой разницы давлений, воздух, находящийся во втором цилиндре начинает перетекать в первый через перепускное окно с огромной скоростью. Новая порция воздуха позволяет полностью сгореть топливу, попавшему в первый цилиндр. После того как поршень 2 прошел в.м.т. в нем так же начинается рабочий ход. Горячие газы в этот момент времени одновременно воздействуют на два поршня сразу. Выпуск - открываются выпускные клапаны, оба поршня идут вверх, выбрасывая в атмосферу продукты сгорания, все как у обычного двигателя, но с одной оговоркой. Процесс выпуска у двигателя Кушуля не очень то и громогласен, виной всему низкое давление отработанных газов - топливо попало в один цилиндр, а расширение горячих газов произошло в двух. Кстати говоря, здесь прослеживается и еще одно достоинство этого двигателя - достаточно высокий КПД, так как энергия горячих газов максимально возможно использована в недрах мотора, а выброс отработанных газов происходит при относительно низком давлении и температуре.
Главный козырь этого двигателя, ради чего он в принципе и создавался, низкий выброс вредных веществ, благодаря наиболее полному сгоранию топлива. К преимуществам можно так же отнести возможность работы на различных видах топлива и экономичность.
Как всегда не обошлось и без ложки дегтя. Все недостатки "вылезли" в процессе ходовых испытаний построенного Кушулем двигателя, который был имплантирован в "тело" легендарной "Волги". Недостатков было не много, но они были достаточно существенны. Первое - большая масса агрегата, с ней пытались бороться, применяя облегченные детали, но срок их службы бал значительно меньше чем у массивных. Второе - несбалансированная работа двигателя, так как в каждый момент времени работало по два цилиндра, то двигатель был аналогичен трехцилиндровому мотору. Балансионный вал в конструкции этого двигателя предусмотрен не был, хотя сейчас практически все трехцилиндровые двигатели работают в паре с "балансиром".
Как и в других случаях, конструкция этого двигателя не "пошла" по технологическим причинам. Обычный двигатель был намного проще в производстве, чем двигатель Кушуля. А как все тогда хорошо начиналось.
О роторно-поршневых двигателях
Ванкеля я думаю, слышали многие. Свою известность в нашей стране этот тип
двигателей получил, благодаря двум автомобильным компаниям - это "ВАЗ" и "Mazda". Хотя двигать первой фирмы
является, честно говоря, копией двигателя второй. "Mazda" безусловно пролила много пота и
крови доводя конструкцию роторно-поршневого двигателя до совершенства, и ей,
следует сказать, это удалось сделать. Хотя если заглянуть в историю, то в
роторно-поршневом буме, который был примерно сорок лет назад, поучаствовали,
наверное, все компании, которые хоть как-то были связаны с разработкой
двигателей. В этот период было сделано очень много интересных роторно-поршневых
двигателей. Об одном из них мы с вами и поговорим - это роторно-поршневой
дизельный двигатель, сконструированный знаменитой компанией "Роллс-Ройс".
На рисунке показан двухступенчатый роторно-поршневой дизель "Роллс-Ройс". Основой для двигателя служил корпус 8 в котором находилось две рабочие полости. В полости 3 был расположен ротор ступени высокого давления 5, а в полости 1 - ротор ступени низкого давления 7. Кроме того, что роторы имели разный размер, один был меньше другого в три раза, они еще отличались и формой рабочей поверхности - маленький имел специальные выемки, большой же этим похвастаться не мог. Оба ротора синхронно вращались в одном направлении, так как были связанны шестеренчатой передачей. Вал отбора мощности состыковывался с эксцентриковым валом ротора 7. В корпусе имелись две полости - 2,6, которые соединяли между собой ступени высокого и низкого давления, а так же два окна - 9 и 10, соответственно выпускное и впускное. Форсунка 4 находилась в верхней части корпуса и подавала "тяжелое" топливо в ступень высокого давления.
Этот двигатель работал следующим образом. Ротор 7 своей гранью отсекал от окружающей среды порцию воздуха, попавшую в секцию низкого давления через впускное окно 10. Затем воздух перемещался по каналу 2 в секцию высокого давления, испытывая небольшое сжатие, но лишь до того момента пока грань ротора 5 не пересекала перепускной канал. После того как воздух оказался в полости между ротором 5 и корпусом 8 он испытывал сильное всестороннее сжатия и постепенно переносился в рабочую зону форсунки 4. После впрыска топлива в предварительно сжатый воздух, происходило сгорание. Образовавшиеся газы расширялись лишь в секции высокого давления, но только до тех пор, пока грань ротора 5 не открыла доступ к перепускному каналу 6. После этого расширение уже происходило в двух секциях, до того момента пока грань ротора 7 не открывала выпускное окно 9.
Многие из вас наверняка зададутся вопросом: " А для чего необходимо было делать двигатель двухсекционным?" Двухсекционность в первую очередь была необходима, для того чтобы организовать дизельный цикл в роторно-поршневом двигателе. Во-вторых, было в два раза уменьшено давление приходящиеся на эксцентриковые валы роторов, соответственно это дало увеличение ресурса двигателя.
При конструировании этого необычного двигателя компанией "Роллс-Ройс" было решено громадное количество технических задач. Большие проблемы были связаны с подбором идеальной формы выемок выполненных в рабочей поверхности ротора ступени высокого давления. Много времени заняли вопросы, связанные с подшипниками ротора и радиальными уплотнениями. Так как в дизельном двигатели нагрузки на эти элементы намного больше, чем, в двигателе, работающем на бензине.
После того как двигатель окончательно был доведен до ума, фирме "Роллс-Ройс" пришлось сделать трудное для себя решение. А именно - закрыть этот проект. Так как двигатель хоть и радовал своими положительными чертами, сюда можно отнести все плюсы дизельных двигателей и прибавить компактность Р.П.Д., но был достаточно сложен в производстве, имел высокую себестоимость и что самое важное малый ресурс.
Максим УТЕШЕВ
|
|
На сегодняшний день двигатели внутреннего сгорания переживают не лучший период своей жизни. Постоянный рост цен на нефть, глобальное потепление, в котором винят и их тоже, а также растущие «зеленые» настроения в развитых странах не прибавляют авторитета двигателям внутреннего сгорания.
Но, не смотря на все свои минусы, мы с ними не сможем распрощаться еще на протяжении многих десятилетий. Однако мы можем попытаться сократить немалые аппетиты наших любимцев, тратя меньше энергии на выделение тепла и выжимая из каждой капли топлива тот максимум, который позволяет нам физика.
И, правда, двигатель внутреннего сгорания совсем не безнадежен. В новых автомобильных разработках, и научных лабораториях по всему миру бензиновый двигатель испытывает что-то похожее на Ренессанс.
Защитники экологии не должны бояться этого возрождения двигателей внутреннего сгорания. Так как данные новшества не просто решительно уменьшают количество вредного топлива, они служат технологическим мостом, который приведет нас к полностью электрофицированому будущему. Большинство таких технологий находиться все еще на стадии разработок, ожидая финансирования, или внедрены пока только в опытные образцы, для демонстрации своих возможностей. Не одно из данных решений не является панацеей, но каждое из них показывает, насколько меньше мы могли бы использовать топлива, делая автомобили намного эффективнее.
В прошлом веке бензиновые двигатели стали повсеместны, в этом столетии они станут еще и умными. Рассмотрим некоторые из новых технологий будущего двигателей внутреннего сгорания:
Двигатель Scuderi
Группа Scuderi представляет двигатель разделенного цикла - он делит четыре обычных поршневых цилиндра на два различных типа для более разумного использования каждой капли энергии, которую они могут выработать.
Принцип действия технологии заключается в соединение двух цилиндров между собой. В отличии от обычных двигателей, которые во время четвертого такта выбрасывают сжатые газы, двигатель Scuderi впрыскивает сжатый воздух во второй цилиндр, где проходит воспламенение и выхлоп.
Благодаря данной технологии мы можем использовать два цилиндра из четырех бесплатно. Как показывают компьютерные модели, двигатель Scuderi улучшает экономию по сравнению со своими обычными аналогами на 50 процентов.
Разделение двигателя на горячую и холодную части
Как и предыдущий данный двигатель делиться на две рабочие части, но по сравнению с Scuderi дополнительно использует разные температуры в разных частях двигателя, для достижения максимального КПД.
Большая проблема в обычном четырехтактном двигателе - первые два такта (впуск и сжатие) наиболее эффективны при холоде, в то время третий и четвертый такты работают лучше в горячих условиях. Как утверждают инженеры, если придерживаться данных требований, можно добиться до 40 процентов экономии. Просто отделив область высокой температуры радиатором.
Процесс проходит следующим образом: впуск и сжатие происходят в холодном цилиндре, гарантируя максимальную эффективность при этом, а сгорание и выхлоп сжатой в холодной части смеси происходят в горячем цилиндре. Данная технология дает до 20 процентов экономии топлива, но ученые надеются усовершенствовать систему и выжать из нее 50 процентов.
Двигатель Pinnacle
В данном виде двигателей поршни расположены противоположно друг к другу. Но в отличие от оппозитных двигателей, которые сейчас широко распространены, тут на одну головку цилиндра приходиться два поршня, соответственно взрыв горючей смеси происходит между двумя поршнями. При таком расположении поршней получается колоссальная экономия энергии, которая в привычных двигателях внутреннего сгорания тратиться на выделение высокой температуры.
Первые малолитражки с таким типом двигателей должны быть выпущены уже в 2015, а большие двигатели будут готовы к 2016. Инженеры ожидают увеличение эффективности данного двигателя до 50 процентов.
Данная схема двигателя объединяет в себе конструкции известного многим оппозитного двигателя и описанного выше двигателя Pinnacle. В данной конструкции два поршня расположены в одной головке цилиндра, а два других находятся тоже вместе под углом 180 градусов.
В обоих цилиндрах сгорание происходит в центре, между поршнями, длинные шатуны соединяют наиболее удаленные поршни с коленчатым валом, который расположен посредине. Как и другие оппозитные двигатели, OPOC не нуждается в тяжелых головках цилиндров, снижая вес двигателя. Ход поршней в таком двигателе, меньше чем в обычных бензиновых двигателях.
Инженеры Ecomotors надеяться создать демонстрационный автомобиль с двигателем OPOC, который на 2 литрах топлива будет проезжать до 100 км.
Замена обычных свечей зажигания на лазеры
Лазеры стают все лучше, и теперь их можно использовать в двигателях внутреннего сгорания. В свечах, которые используются сегодня, есть одна проблема, для сжигания большего количества воздуха и меньшего количества топлива нужна сильная искра. Но если увеличить мощность искры, будут быстро изнашиваться электроды. Идеальным выходом из данной ситуации может быть использование лазеров. У лазеров есть большой плюс по сравнению с обычными свечами зажигания, их можно очень точно настроить: установить нужную мощность, угол зажигания, тем самым увеличив мощность и эффективность процесса сгорания.
Японские инженеры уже разработали керамические лазеры диаметром 9 мм специально для двигателей внутреннего сгорания. Такие нововведения будут достаточно эффективны и не требуют серьезных доработок в существующих двигателях.
Процесс сгорания TSCiTM
Американская компания Transonic Combustion решила не создавать новый двигатель, а добиться внушительной (25-30%) экономии топлива с помощью новой системы впрыска.
Высокотехнологичная система впрыска TSCiTM не требует радикальных переделок двигатели и, по сути, представляет собой набор инжекторов и специальный топливный насос.
Процесс сгорания TSCiTM использует непосредственный впрыск бензина в виде сверхкритической жидкости и специальную систему зажигания.
Сверхкритическая жидкость - это состояние вещества при определенной температуре и давлении, когда оно не является ни твердым телом, ни жидкостью, ни газом. В таком состоянии вещество приобретает интересные свойства, например, не имеет поверхностного натяжения, и образует мелкодисперсные частицы в процессе фазового перехода. Кроме того сверхкритическая жидкость обладает способностью быстрого переноса массы. Все эти свойства крайне полезны в двигателе внутреннего сгорания, в частности, сверхкритическое топливо быстро смешивается, не имеет крупных капель, быстро сгорает с оптимальным тепловыделением и высокой эффективностью цикла.
В далеком 1978 году группа ученых японского института Clean Engine Research, пытавшихся оптимизировать процесс сгорания топлива в двухтактных мотоциклетных моторах, случайно зафиксировала необычный феномен, названный HCCI (Homogeneous charge compression ignition). При достижении определенного давления в камере бензинового двухтактника возгорание топливовоздушного заряда происходило без искры свечи зажигания. Но самое интересное -- вместо привычного зажигания смеси около свечи и последующего распространения пламени на периферию в камере одновременно возникало огромное количество микроочагов возгорания. Как следствие, смесь сгорала при более низкой, чем обычно, температуре, очень быстро и практически полностью. Имеющийся в то время математический аппарат и уровень развития термодинамики не позволили понять причины возникновения феномена HCCI, и его посчитали курьезом. Через 20 лет в арсенале инженеров появились мощные средства компьютерного моделирования, которые помогли приоткрыть завесу тайны над HCCI. Работы в этой области в конце 1990-х годов начались в Германии (Mercedes-Benz, Volkswagen), Японии (Nissan) и Америке (General Motors).
Для образования однородного топливовоздушного облака с предельно низкой плотностью в состав смеси вводятся горячие отработанные газы. Они быстро разогревают этот коктейль, облегчая его перемешивание внутри камеры. Если в условиях классического прямого впрыска топливо распыляется в виде аэрозоля, то в HCCI смесь представляет собой мельчайший туман. Когда поршень сжимает смесь до определенного объема, температура подскакивает до точки самовоспламенения. Сгорание HCCI характерно отсутствием открытого пламени и более низкой, чем у дизельных двигателей, температурой. В результате доля сгоревшего топлива вырастает до 95?97% в сравнении с 75% в циклах Отто и Дизеля. Причем на богатых смесях HCCI не работает -- ему нужны почти гомеопатические доли топлива, на 30 и более процентов беднее, чем у лучших современных ДВС.
Тем не менее отработанная технология HCCI -- пока еще дело будущего. Термодинамика процесса чрезвычайно сложна и требует от ученых решения массы проблем. Главные из них -- неустойчивая работа на холостых и максимальных оборотах, неконтролируемая детонация остатков смеси и неравномерность распределения топливовоздушного облака в камере. Правда, в последние месяцы хорошие новости появляются ободряюще регулярно. Специалисты General Motors сообщают, что сумели обуздать стихию на малых оборотах, а британские инженеры из Lotus заявляют, что построили работающий прототип супердвигателя Omnivore, «снизу доверху» поддерживающий процесс HCCI. По мнению вице-президента компании Bosch Хеннинга Шнайдера, автомобили с расходом топлива в пределах 3 л на 100 км, оснащенные ДВС с технологией HCCI, станут серийными уже в 2015 году. У Volkswagen подход более осторожный -- компания разрабатывает новый двигатель, работающий с использованием свечей зажигания при полной нагрузке и на холостом ходу, а в среднем диапазоне оборотов -- в режиме HCCI. Инженеры Nissan также не стоят на месте -- недавно они объявили о создании мощного софта, позволяющего создать компьютерную модель феномена HCCI, и уже начали работать над собственным супердвигателем.
Горячая стена
Американский инженер Джон Заяц предложил собственную концепцию ДВС, близкую к двигателю с раздельным циклом Скудери.
Изобретатель утверждает, что его двигатель на 15% экономичнее дизеля и на 30% - бензинового аналога по мощности. В двигателе Заяца воздух из цилиндра сжатия попадает в камеру, где создается повышенное давление топливной смеси, на 40% больше обычного уровня для бензиновых моторов. Камера, ее форма, принцип работы, дизайн и материалы для изготовления защищены 19 патентами. Воздух в камере смешивается с топливом и возгорается. Процесс сгорания намного продолжительней, чем в обычном ДВС. Внутри камеры создается особая среда -- «горячая стена», которая служит аккумулятором энергии: неизменная температура и давление в ней сохраняются в 10?100 раз дольше, чем в камере сгорания обычного мотора. Затем раскаленные газы через специальный клапан попадают в рабочий цилиндр.
История развития бесшатунных поршневых двигателей предложенных С.Баландиным, берет начало в тридцатых-сороковых годах прошлого века, когда в конструкторском бюро, где работал автор, были разработаны и построены несколько типов авиационных двигателей с необычным, отличным от кривошипно-шатунного, силовым механизмом.
Рис. 1
Рис. 2
Базой для начала проектирования двигателя послужила известная кинематическая схема обращенного эллипсографа (рис.1), траектория движения точек которого описывается уравнением эллипса:
Где r - радиус начальной окружности, а d - координата произвольной точки m .
Все точки, лежащие на прямой А В, описывают эллипсы, точка С - окружность (как частный случай эллипса), точки же А и В, как лежащие на поверхности Д, совершают возвратно-поступательное движение в пределах 4r. Дуга окружности Д без скольжения обкатывается по дуге Е вдвое большего диаметра. Привязав к точкам, лежащим произвольно на поверхности Д (например к точкам А и В), крейцкопфы со штоками и поршнями, а к точке С - выходной вал, получаем бесшатунный механизм, имеющий одну избыточную кинематическую связь. Т.е. для обеспечения прямолинейности траекторий точек А и В, соединенных между собой и с точкой С кривошипа ОС жестким звеном АСВ, достаточно иметь направляющие только у одной точки А или В (рис.2). Но такая схема неприемлема по условиям распределения действующих в механизме сил. Если установить направляющую только в точке А, то по мере приближения угла φ к 90° и 270° составляющие, приложенные к точке А силы P - боковая сила N= P·tg φ и направленная вдоль оси АС сила S=P/cos φ - неограниченно возрастают, стремясь к бесконечности. Поэтому введение в кинематическую схему второй направляющей отвечает условиям работоспособности механизма.
Высказанное выше обоснование принадлежит самому С. Баландину, оно в конечном итоге и определило всю эволюцию развития бесшатунных двигателей первого поколения. Все построенные образцы (в том числе и автором) основывались на схеме с одной избыточной кинематической связью.
Предложенный С.Баландиным силовой механизм бесшатунного двигателя казалось, быстро потеснит двигатели классической компоновки, и машиностроительные предприятия, используя наработки авиационной промышленности, смогут запустить его в серийное производство без особых проблем. К тому времени авиация прочно освоила газовые турбины, и поршневые двигатели ее перестали интересовать.
Вот тут и выяснилось, что для общего машиностроения слишком дорогой ценой обеспечиваются те технологии, которые доступны авиационной промышленности. Встал вопрос об изменении конструкции двигателя под существующие возможности действующих предприятий. При кажущейся простоте механизм содержал неотработанные кинематические связи, а в применении к тепловым машинам они были слабо изучены и поэтому их возможности плохо прогнозировались. Всего одна избыточная кинематическая связь в таком сложном механизме как ДВС ставила под сомнение всю его дальнейшую работоспособность. Тем более не было понимания того, как от этой связи избавиться, синхронизирующий механизм о котором идет речь, являлся неотъемлемой частью самого двигателя. Сегодня, спустя шестьдесят лет с момента появления первого бесшатунного двигателя можно уверенно сказать (лучше поздно,чем никогда), что эта проблема полностью решена.
Рис. 3
1,2,3,4 -поршни; 5,6 - штоковые подшипники; 7,8-консольный вал; 9,10,11,12 - шестерни синхронизирующего механизма; 13-коленчатый вал; А,В,С,Д- подвижные опоры.
На рис.3 изображена типовая кинематическая схема бесшатунного двигателя С.Баландина. Хорошо видно, что всего один планетарно вращающийся вал заменяет в силовом механизме все шатуны. Вал установлен между двумя консольными вращающимися опорами, которые в свою очередь соединены между собой шестеренчатым механизмом. Это и есть универсальный механизм связи поршней, предложенный С.Баландиным и обеспечивший в построенных образцах: малые габариты и вес, высокую оборотность, рациональный двухсторонний рабочий процесс в цилиндрах, эффективную систему охлаждения поршней и наконец, высокий механический КПД, величина которого на некоторых режимах работы двигателя достигала 94 % (в обычных ДВС около 85%).
С выходом в свет книги С.Баландина "Бесшатунные ДВС" 1968 и 1972 г. изданий многочисленными коллективами инженеров и рядом заводов (таких как "Дагдизель", СКБ "Серп и Молот" и т.д.) начали предприниматься попытки построить двигатель, скопировав его в первоначальном, или даже в усовершенствованном вариантах. Процесс проектирования и изготовления проводился, как правило, на основе расчетов и методик, предложенных автором. Вопреки ожиданиям, у большинства построенных образцов при первых оборотах вала происходило заклинивание силового механизма в корпусе двигателя в результате задира поршней о зеркало цилиндров. Те, кто сумел спроектировать и построить работоспособный двигатель, обнаруживали в нем интенсивный износ и выкрашивание крейцкопфных направляющих (питтинг). Все попытки бороться с этим явлением не приносили успеха. Живучесть силового механизма определялась несколькими часами работы.
Постоянные неудачи сформировали в научной и конструкторской среде негативное отношение к самой идее создания бесшатунного двигателя этого типа. Выяснилось, что никто кроме самого С.Баландина так и не смог построить работоспособную конструкцию. По признанию же самого автора, каждый четвертый двигатель, вышедший в свое время из стен его КБ, выходил из строя из-за указанных выше неполадок.
Оглядываясь на классический кривошипно-шатунный механизм обычного (тронкового) двигателя, замечаем, что при всех своих недостатках он обладает высокой надежностью. Его длительная работоспособность определяется тем, что каждая, отдельно взятая деталь этого двигателя испытывает симметричное нагружение. Этому способствует и жесткое крепление коленчатого вала в подшипниковых опорах, стоящих по обе стороны от шатунов. Чего не скажешь о двигателе С.Баландина (рис.3), в котором каждый поршень (1-4) через штоковую (шатунную) шейку (5,6) опирается одной стороной на скользящий крейцкопф (А,В или С,Д), а другой стороной на подверженный изгибу консольный вал (7,8). Соответственно 50% нагрузки от газовых сил приходится на крейцкопфную опору (под ней находится остов двигателя), а остальные 50%, воспринимаются "упругим элементом" - какая уж тут надежность.
В сверхмощных двигателях С.Баландина эта проблема была частично решена путем размещения концевых шеек планетарного вала внутри подшипников большого диаметра, при этом окружные скорости сопрягаемых наружных поверхностей подшипников увеличивались втрое.
Следующей нерешенной проблемой оставалась система подачи масла к трущимся поверхностям подшипников бесшатунного двигателя. Так, если концевые подшипники консольных опор А и Д работают в условиях гидродинамической жидкостной смазки, то создать аналогичные условий работы крейцкопфам В и С которые за один оборот вала дважды останавливаются невозможно, такие подшипники могут работать только как гидростатические опоры т.е. на них распространяется совсем другая теория смазки, она не создает гидродинамического масляного клина между сопрягаемыми плоскостями и ей необходимо отслеживать непрерывно изменяются условия поддержания крейцкопфа над опорными поверхностями. Сказанное лишь разъясняет, что для смазки одной детали- вала, используются принципиально разные системы смазки. Что не есть хорошо. И если это препятствие и не удастся обойти, то необходимо подшипники, принадлежащие общему валу и выполняющие одни и те же функции сделать хотя бы однотипными.
Основная же причина того, что применение рассматриваемой кинематической схемы не получило практической реализации, состоит в том, что она сложнее обычного кривошипно-шатунного механизма. В силовом механизме, помимо основных элементов, используются дополнительные синхронизирующие валы, связанные с основным валом шестернями. Большое количество сопрягаемых элементов требует высокого технологического уровня их изготовления. Соединенные последовательно, шестерни синхронизирующего механизма (9-12) образуют длинную размерную цепь. Значение ее суммарного допуска должно быть меньше величины диаметрального зазора одного из крайних подшипников планетарного вала, иначе невозможно обеспечить его правой и левой половине синхронного вращения. Уложиться же в этот допуск технологически сложно (об этом и шла речь в начале статьи).
Следующий раздел посвящен силовым механизмам нового поколения, где на смену «синхронизирующему механизму» приходят «синхронизирующие шейки», позволяющие в бесшатунном двигателе отказаться от избыточной кинематической связи, поставившей фактически крест на этом направлении.
Рис. 4
Р - сила давления газов; N - боковая сила; S - сила направленная вдоль оси АСВ; 1,2,3,4 - поршень; 5,6 - рабочий крейцкопф; 7,8 - синхронизирующий крейцкопф; I, II - синхронизирующая шейка; α - расстояние между центрами соседних шеек коленчатого вала; А,В,А",В"- опоры.
Как видно из рис. 4 в схеме уже отсутствует ставший привычным механизм синхронизации, вместо него у планетарно вращающегося коленчатого вала появились собственные планетарные опоры способные выполнять те же функции, что и обычные подшипники для вращающихся валов. Расположенные по краям вала они способны обеспечить всем его точкам синхронное орбитальное вращение по заданной траектории. Для этого к рассмотренному планетарному валу конструкции С.Баландина надо добавить две дополнительные шейки (I и II, см. рис.4) с одновременным отказом от избыточной кинематической связи в точке С (точки, ранее жестко связанной с выходным валом) и исключением, а не выбрасыванием, ее из силовой схемы бесшатунного механизма. Под дополнительные шейки вала устанавливаются две новые, зеркально расположенные к А и В крейцкопфные направляющие А" и В". Теперь каждый рабочий поршень получает по две идентичные подвижные опоры, расположенные от него на равном расстоянии справа и слева. Одна из опор (А, В) может нести на себе смежный рабочий поршень, другая (А", В") предотвращает перекосы планетарного вала и обеспечивает его синхронизацию. Такая компоновка позволяет отказаться от механизма синхронизации, состоящего из соединительного вала и набора шестерен т. к. полная синхронизация вала обеспечивается его собственной конструкцией.
Во вновь скомпонованном бесшатунном двигателе планетарно вращающийся вал, объединяющий поршни, как и прежде, содержит рабочие шейки, связанные со штоками поршней, которые всегда движутся прямолинейно. На теле такого вала остаются оси, перемещающиеся по круговой орбите (в первом приближении это окружности) поэтому их легче всего связать с валом отбора мощности, например поводковым механизмом. Если к такому валу, содержащему рабочие шейки и шейки отбора мощности добавить дополнительно две шейки (I, II) назовем их "синхронизирующими", то каждая рабочая шейка в паре с синхронизирующей образует одну планетарную опору, а две пары опор - полноопорный вал (9) с двумя степенями свободы, вращением вокруг собственной оси и, одновременно, планетарным вращением. Тогда характер нагружения вала становится всегда симметричным, а сам коленчатый вал получает возможность самоустанавливаться в опорах. При этом каждая планетарная опора выполнена с возможностью придания смежным опорным шейкам возвратно-поступательного движения в пересекающихся направлениях. Это и обеспечивает устойчивость планетарного вала в любой точке его орбитального обращения.
В качестве примера на рис.4 также изображена схема силового воздействия газов (Р) на поршни двигателя и характер нагружения подшипниковых опор. Поршни со штоками 1 и 3 в качестве опоры используют крейцкопф 6 от поршней 2 и 4, и синхронизирующий крейцкопф 7. Поршни 2 и 4 для опоры используют крейцкопфы 5 и 8, из них крейцкопф 8 является синхронизирующим. В результате, в момент воспламенения горючей смеси в любом из четырех цилиндров двигателя равноотстоящие от рабочего поршня крейцкопфы 6 и 7 или 5 и 8 нагружаются равными долями. При такой компоновке концевые шейки планетарного вала полностью выводятся из зоны действия газовых сил и передают валу отбора мощности, не входящему в силовую схему механизма, только крутящий момент.
Приведем еще несколько примеров, поясняющих принципы симметрии, в приложении к рассматриваемым бесшатунным силовым механизмам.
Рис. 5
Схема оппозитного бесшатунного двигателя:
1,2,3,4- поршни; 5- коленчатый вал; 6,7- противовесы; 8,9- вал(ы) отбора мощности; 10,11- рабочие крейцкопфы; 12,13,14- синхронизирующие крейцкопфы; I, II, III - синхронизирующие шейки.
Лучший образец - кинематическая схема оппозитного бесшатунного двигателя (рис.5). В отличие от крестообразно скомпонованных четырехцилиндровых двигателей (рис.4) чередование между рабочими тактами здесь происходит равномерно, через 180° по углу поворота коленчатого вала. Конструкция силового механизма включает:четыре рабочих поршня со штоками (1-4), два рабочих крейцкопфа (10,11), три синхронизирующих крейцкопфа (12.13,14). Названные элементы объединены общим коленчатым валом (5) и располагаются на его пяти шейках. Шестая и седьмая шейки вала (5) предназначены для установки противовесов (6,7) и передачи крутящего момента валу отбора мощности (8 или 9). Из рис.5 видно, что у каждого рабочего поршня, по обе стороны и на равных расстояниях, располагаются синхронизирующие крейцкопфы (12,13,14). В оппозитном двигателе они выполняют следующие функции:
Рассмотренный механизм обладает широкими кинематическими возможностями, он прекрасно уравновешивается. И это единственный тип бесшатунного двигателя, в котором ползуны синхронизирующих крейцкопфов могут быть заменены альтернативными им шатунными группами (рис.6).
Рис. 6
1,2,3,4-поршни; 5,6- рабочие крейцкопфы; 7,8,9- шатун; 10- коленчатый вал; I, II, III -синхронизирующие шейки.
В этом случае достаточным условием для обеспечения синхронизации вала (10) будет полное совмещение дублирующих друг друга кинематических пар при их проецировании на плоскость ХОУ. Здесь, как и в предыдущем примере, рабочие крейцкопфы (5,6), принадлежащие поршням (1-4), движутся прямолинейно. Шатуны же (7,8,9) синхронизирующих шеек (I, II, III) имеют общую ось качания. Доводочные работы по реализации разобранной кинематической схемы могут быть существенно сокращены, в основном за счет максимальной ее унификации с элементной базой тронковых ДВС. В общем же случае, все кинематические схемы подчиняются одному правилу: к любому, наперед заданному количеству рабочих шеек надо добавлять по концам вала, как минимум, две синхронизирующие. В этом правиле есть одно исключение - кинематическая схема, в которой все рабочие шейки одновременно являются и синхронизирующими (рис.7).
Рис. 7
1,2,3,4- поршни; 5- коленчатый вал; 6,7- противовесы; 8,9- вал(ы) отбора мощности; 10,11,12- рабочие синхронизирующие крейцкопфы, 13,14- спарники.
Коленчатый вал (10) составляется всего из пяти шеек. Две крайние шейки вала предназначены для передачи крутящего момента и установки на них противовесов (6,7). Остальные шейки заполнены крейцкопфами (10,11,12). Крейцкопфы 11 и 12 замкнуты между собой спарниками (13,14), на них устанавливаются поршни 1 и 2. Центральная шейка вала с крейцкопфом 10 связана штоками с другой парой поршней (3,4). Траектории комплектов поршней 1,2 и 3,4 пересекаются. На период рабочего хода поршень 3 (или 4) в связке с крейцкопфом 10 опирается на крейцкопфы 11 и 12 которые на этот момент выполняют функции синхронизирующих. При совершении рабочего хода 1 (или 2) поршнем совместно с теперь уже рабочими крейцкопфами 11 и 12 опорный крейцкопф 10 становится синхронизирующим. И так по кругу до бесконечности. Плоскость действия газовых сил в таком механизме будет всегда замыкаться тремя центральными шейками вала.
Такое конструктивное решение позволяет располагать четыре рабочих цилиндра в одной плоскости при минимальной длине и максимальной жесткости коленчатого вала. Общее количество пар трения в двигателе по сравнению с тронковым ДВС снижается в два - три раза!!! Здесь, как и в предыдущих переработанных схемах, коленчатый вал отвечает всем необходимым условиям симметричного нагружения (подробнее см. в отраслевом журнале "Двигателестроение" №3 за 1998г. и №1 за 2000г.).
Изложенное описание претендует лишь на звание краткого путеводителя тому, кто интересуется бесшатунными двигателями, и хотел бы попробовать свои силы в этом направлении. И хотя в нем отсутствуют "различные подробности", без которых построить работающую машину практически невозможно, приведенный выше анализ поможет избежать явных ошибок, потерянного времени и средств.
И в заключении перечислим основные преимущества, которыми располагают бесшатунные ДВС:
К сказанному следует добавить что, как и любая поршневая машина, бесшатунный двигатель обладает целым рядом ограничений, препятствующих росту в нем числа оборотов. Это и газораспределение, с возникающими в нем значительными силами инерции от возвратно - поступательного движения клапанов; и большое сопротивление газовоздушного тракта, ограничивающего наполнение рабочих объемов двигателя горючей смесью; и теплонапряженность, постоянно грозящая двигателю перегревом, а в дизельной комплектации существуют еще и ограничения связанные с топливоподводящей аппаратурой.
Новые технологии направлены на то, чтобы сделать двигатели внутреннего сгорания более эффективными. В предыдущие годы они стали повсеместными, а в будущем станут «умными». К сожалению, пока они не обладают высоким КПД и неэкономичны. Но пользуясь последними достижениями в области материалов и электроники, вполне возможно исправить эти недостатки.
Автомобильный концерн Мазда часто предлагает интересные инновационные решения. Один из вопросов, которыми он решил заняться ─ экономия топлива. Компания разработала новые двигатели Skyactiv-G. Уже планируются к выпуску малолитражные автомобили Mazda 2, оснащенные ими. Они обладают высочайшей степенью сжатия, за счет чего и повышается топливная экономичность. По версии разработчиков, средний расход бензина будет составлять примерно 3 литра на сотню километров.
Данный двухтактный двигатель разработан корпорацией Grail Engine Technologies. Он выполнен из простых деталей, изготовленных методом отливки.
Преимущества:
Новые технологии в двигателях внутреннего сгорания стали возможны с появлением лазеров. Стандартные свечи имеют серьезную проблему. Она заключается в необходимости сильной искры, но в таком случае идет быстрый износ электродов. Решить этот вопрос можно, если применять лазеры для воспламенения топлива. Они имеют преимущество, так как позволяют задавать важные параметры: угол зажигания и мощность.
Учеными разработаны керамические лазеры d 9 мм. Они подойдут для подавляющего большинства моторов.
Одной из перспективных разработок являются двигатели Pinnacle.В них поршни располагаются противоположно относительно друг друга, находясь в одном цилиндре. Между ними и воспламеняется топливо. Подобное их расположение значительно экономит энергию и увеличивает эффективность двигателя. При этом стоимость силового агрегата достаточно низкая.
Эти двигатели принципиально отличаются от распространенных оппозитных моделей, использующихся повсеместно.
Это двухтактный двигатель с изменяемой геометрией и площадью поршня. Он легок и компактен, а его КПД составляет 45%.
Изобретатель Iris Тимбер Дик придумал концепцию с шестью поршнями, полезная площадь которых в три раза больше, чем в стандартной паре. Каждый поршень представляет собой стальной, изогнутый лепесток.
Алгоритм работы:
Особенность инновации в том, что используется разделение мотора радиатором на две части. Впуск и сжатие топлива осуществляется в холодных цилиндрах, а сгорание и выхлоп газов – в горячих. При таком функционировании агрегата получается экономия около 40%. Ученые все еще дорабатывают и совершенствуют данную систему, чтобы добиться еще большей экономии (до 50%).
Это двигатель разделенного цикла Air-Hybrid разработан американской компанией Scuderi Group. Он более экономичен, если сравнивать с обычными аналогами. Сотрудники компании рассчитывают, что их изобретение станет настоящим прорывом. Они уже получили на него патент. Для наиболее рационального использования энергии он разделяет 4 стандартных поршневых цилиндра на рабочие и вспомогательные. Это делается для того, чтобы разумно использовать энергию, которую они будут вырабатывать. Механизм функционирования основан на соединении двух цилиндров при помощи специального канала. Далее происходит впрыскивание сжатого воздуха во второй цилиндр с последующим воспламенением топливовоздушной смеси и выхлопом.
Компания Eco Motors International переработала конструкцию двигателя внутреннего сгорания, применив творческий подход. Он получился двухтактный, с элегантной и простой конструкцией. Пара модулей (по четыре поршня в каждом) соединены муфтой и имеют электронное управление.
Турбокомпресс утилизирует энергию выхлопных газов и участвует в выработке электроэнергии.
Достоинства:
Работа двигателя возможна на бензине, дизеле, этаноле.
Американские ученые разрабатывают еще одну интересную инновацию автомобильного мотора. Его ресурс будет более высокий, чем у обычных моделей. Механизм действия:
Ученые в 2018 году продолжают искать новые технологии для производства экономичных и экологичных моделей двигателей внутреннего сгорания. Многие проекты еще находятся на стадии разработок и ждут финансирования.
