Перспективы развития автомобильных двигателей. Перспективные конструкции двигателей

Перспективы развития автомобильных двигателей — КиберПедия

Изучаемые вопросы:

Перспективные конструкции автомобильных двигателей; их достоинства и недостатки

При современном развитии техники двигателестроения постоянно стоит вопрос о дальнейшем совершенствовании двигателей. По какому пойти пути? Конструктивно, существующие автомобильные двигатели дошли почти до предела. Главная цель: повышение топливной экономичности, ресурса и экологической безопасности с одновременным повышением удельной мощности. Идут несколькими путями: разработкой альтернативных топлив, присадок к существующим топливам, применением существующих более экологичных видов топлив, созданием адиабатных двигателей, широким внедрением электроники и созданием принципиально новых конструкций.

Наиболее перспективной заменой бензиновым и дизельным двигателям с экологических позиций является мотор, питающийся от так называемых топливных клеток. В качестве источника энергии он использует водород, поэтому выхлопные газы состоят преимущественно из водяного пара и не содержат веществ, загрязняющих окружающую среду. Лидером в области разработки топливных элементов является канадская компания Ballard Power Systems. Ее разработками заинтересовались германо-американский автогигант Daimler-Craysler и Ford Motor. Первый экспериментальный автомобиль с двигателем на топливных клетках – мини-вэн Necar-1 фирмы Ballard Power Systems и Daimler-Craysler представили в 1994 году.

Газовые двигатели

В связи с борьбой за чистоту окружающей среды в последнее время стали особенно уделять внимание газовым двигателям, транспортным и стационарным.

Для транспортных газовых двигателей получение газа обеспечивается двумя способами:

– непосредственным производством, путем газификации твердого топлива в газогенераторах;

– путем установки баллонов периодически наполняемых газом.

Газогенераторные машины используют различное газифицированное топливо: древесное, древесно-угольное, антрацитовое, солому, опилки и т.д.

В баллонах используют сжимаемые и несжимаемые газы.

Образование рабочей смеси в газовых двигателях обычно происходит путем непосредственного смешения газа с воздухом в приборах, называемых смесителями и устанавливаемых перед впускным коллектором двигателя.

Газогенераторной установкой называется совокупность всех агрегатов, предназначенных для выработки и подготовки газа, пригодного для использования в двигателе в качестве топлива.

Важнейшей частью газогенераторной установки является газогенератор, в котором из твердого топлива вырабатывается горючий газ. На выходе из газогенератора газ имеет высокую температуру и загрязнен водой, сажей и мелкими кусками обуглившегося топлива. Поэтому важнейшей принадлежностью транспортной газогенераторной установки является агрегат для очистки и охлаждения газа. Обычная схема газогенераторной установки включает в себя в порядке последовательности: газогенератор, грубый очиститель, охладитель, тонкий очиститель.

Исходным топливом газогенераторной установки могут служить разнообразные виды твердых горючих: дрова, древесный уголь, торф, кокс, антрацит, некоторые породы каменных углей, брикеты из опилок, соломы и др.

Поршневые двигатели внутреннего сгорания прошли длительный путь развития и достигли высокой степени совершенства. Необходимо отметить, что у современных поршневых двигателей в основном использованы возможности дальнейшего совершенствования их удельных, мощностных, экономических и весогабаритных показателей. Максимальные значения оборотов серийных двигателей достигают 6000-8000 оборотов в минуту. Ограничение роста числа оборотов объясняется увеличением инерционных сил, механических потерь, повышением механической и тепловой напряженности.

В настоящее время средние значения степени сжатия бензиновых двигателей находятся в пределах 6,5…8,5, достигая в некоторых случаях до 9…11. Дальнейшие повышения степени сжатия не могут привести к существенному увеличению индикаторного КПД и к повышению топливной экономичности. Кроме того, в этом случае усложняется конструкция двигателя, увеличиваются механические потери, повышается износ деталей, возникает детонация.

Однако, существует возможность увеличения роста термического КПД у поршневых двигателей за счет увеличения срабатываемого теплоперепада, создав, так называемый адиабатный двигатель. В этом случае тепло, образующееся при сгорании топлива, почти не отводится в охлаждающую среду. Такие работы проводились ЦНИДИ в 80-х годах ХХ века, но не дали существенных результатов. Теоретически это дает большой эффект, а реально – пока нет подходящих жаропрочных металлокерамических материалов, смазывающих масел и т.д. для деталей цилиндропоршневой группы.

Ограниченные возможности и недостатки поршневых двигателей приводят к необходимости частичной, а в некоторых случаях и полной их замене более современными типами двигателей. Таким являются газотурбинные двигатели (ГТД). Они получили широкое распространение в авиации, судостроении и в оборонном транспортном машиностроении.

Газотурбинный двигатель отличает от поршневого большая агрегатная мощность. Однако серийного выпуска наземных транспортных ГТД не производится в связи с тем, что они имеют следующие недостатки:

1. Низкий эффективный КПД вследствие значительных тепловых потерь и применения небольших степеней сжатия.

2. Ограничение возможности повышения эффективного КПД из-за высокотемпературного процесса, что ограничивает применение материалов лопаток турбины и сопловых аппаратов. Кроме того, применение регенеративных циклов, вынужденных устанавливать теплообменные аппараты и соединительные газопроводы усложняют конструкцию, увеличивают ее вес и стоимость. Чем меньше мощность, тем сильнее сказываются перечисленные недостатки.

3. Работа на переменных режимах сопровождается резким падением эффективного КПД.

4. Ограниченный срок службы лопаточных аппаратов, находящихся под воздействием высоких температур и больших инерционных нагрузок.

5. Ограниченный срок службы деталей высокоскоростных редукторов.

Теоретически газотурбинные двигатели по сравнению с поршневыми и роторными имеют значительные преимущества, но широкое практическое их использование ограничено из-за указанных выше недостатков.

Газотурбинные двигатели в транспортном машиностроении целесообразно использовать в тех областях, где требуется высокая мощность, не взирая на топливную экономичность (большие грузовые самосвалы, бронетанковая техника и др.).

Роторный двигатель

Начиная с 1958 г. большое внимание уделялось роторным двигателям, первые образцы которых были испытаны в лабораториях фирмы NSU (ФРГ) под руководством изобретателя Ф. Ванкеля.

Удачное решение кинематики роторного механизма, предложенное Ванкелем, позволило осуществить двигатель внутреннего сгорания с постоянным зажиганием смеси.

Роторные двигатели по сравнению с поршневыми имеют следующие преимущества: высокую быстроходность, компактность, малый удельный вес, значительную удельную мощность, низкие механические потери, простоту конструкции и механизмов привода, большую износостойкость, бесшумность в работе, быстрые и легкие пуск и остановку, простоту обслуживания в эксплуатации.

Имеются три принципиально отличных варианта осуществления рабочего процесса трохоидных двигателей: с вращающимся ротором, с вращающимся корпусом и с вращающимися корпусом и ротором одновременно.

Обычное применение нашли двигатели с вращающимся ротором, выполненным по внутренним огибающим и с неподвижным эпитрохоидным корпусом. Эти двигатели имеют следующие преимущества: простоту конструкции, наименьшее количество деталей, небольшие относительные скорости ротора и вала, малый периметр уплотнений, отсутствие механизма газораспределения и отсутствие неуравновешенных сил инерции.

Рис. 16. Схема протекания рабочего процесса двухэпитрохоидного роторного двигателя

Последовательность процессов рабочего цикла можно проследить по одной из сторон ротора (рис. 16). При положении 1 ротора начинается процесс наполнения в рабочую камеру (линия АВ). Одновременно с процессом наполнения продолжается процесс выпуска отработавших газов. Благодаря поступлению свежей смеси осуществляется продувка рабочей камеры с частичной потерей свежего заряда. При положении 3 рабочая камера имеет максимальный объем . Между положениями ротора 3 и 4 процесс сжатия происходит одновременно с дозарядкой рабочей камеры. Положение 4 конец процесса наполнения.

Положение 5 соответствует наименьшему объему рабочей камеры . Между положениями 5 и 6 одновременно совершаются процессы сгорания и расширения. В положении 6 – начало процесса выпуска, который продолжается до достижением ротора положения 8, когда пластина уплотнения вершины ротора В перекроет выпускной канал.

В положении 9 рабочий цикл рассматриваемой камеры заканчивается и начинается рабочий цикл в смежной рабочей камере со стороной ВС.

Рабочий цикл двухэпитрохоидного роторного двигателя (РД) состоит из процессов газообмена, сжатия, сгорания и расширения (рис. 17).

Рис. 17. Полярная диаграмма роторного двигателя

Процессы газообмена РД складываются из выпуска отработавших газов и наполнения рабочей камеры свежей смесью. Процесс выпуска можно разделить на несколько периодов. Первый – предварение выпуска – начинается с момента открытия пластиной уплотнения вершины ротора А выпускного канала и заканчивается при положении ротора, соответствующего . Продолжительность определяется углом ДОН.

Второй период – принудительного выпуска – осуществляется в результате выталкивающего действия ротора, он обозначен углом НОА.

Третий период совмещен с началом процесса наполнения и характеризуется наличием продувки рабочей камеры свежей смесью, он обозначен углом AOG.

В течение четвертого периода одновременно совершаются четыре взаимосвязанных процесса: выпуска и наполнения в рассматриваемой камере, расширения и выпуска в смежной задней рабочей камере.

Процесс с ж а т и я на полярной диаграмме занимает участок корпуса, охватываемый углом BOF. Характерной особенностью РД являются высокие антидетонационные свойства. Для РД наивыгоднейшие степени сжатия из условия достижения наибольшего среднего эффективного давления лежат в

пределах ε = 9…11, а для обеспечения наименьших удельных расходов топлива ε = 8,5…10. Значения среднего показателя политропы сжатия (n1) лежат в пределах 1,365…1,39.

Процесс с г о р а н и я . Основная особенность процесса сгорания состоит в совмещении его с процессом расширения и протекания в увеличивающемся объеме рабочей камеры. Общее влияние состава смеси и угла опережения зажигания на процесс сгорания у РД то же, что и у поршневого. Экономический состав смеси достигается при ά = 1,17…1,2. Роторные двигатели более устойчиво работают на обедненных составах смеси (до ά = 1,27…1,3). Эта способность зависит от места расположения свечи зажигания.

Процесс р а с ш и р е н и я занимает угол FOH, равный ~1040 поворота ротора. Особенностью процесса расширения является совместное его протекание с процессом сгорания и только в конце на участке корпуса он совмещен с процессом выпуска. Вследствие подвода большого количества тепла от догорающей смеси, больших чисел оборотов ротора и затрудняющих условий теплоотвода, средний показатель политропы расширения имеет пониженные значения сжатия (n2 = 1,15…1,2).

Дизельные варианты РД разрабатывались такими фирмами, как Krupp, Klochner – Humbold – Deutz, Daimler – Benz, Jnmar – Diesel.

Основная трудность:

- сложность организации совершенного смесеобразования при впрыске топлива;

- необходимость турбулизации заряда.

Применение способов смесеобразования с разделенными камерами ограничено затруднениями в сокращении требуемой ε при образовании полостей вспомогательных камер, нежелательным перетеканием газа между смежными камерами через отверстия соединительных каналов и сложностью их оптимального расположения. Повышение степени сжатия усложняет их кинематическую схему.

Применение впрыска бензина позволит:

- устранить потери смеси, имеющие место при продувке;

- понизить тепловую напряженность за счет отдачи тепла на парообразование топлива прямо в камере двигателя;

- увеличить наполнение из-за уменьшения сопротивления на впуске и понижения температуры воздуха;

- уменьшить подачу масла на охлаждение ротора;

- уменьшить инерционные силы, нагрузки от них и износы;

- упростить конструкцию впускных трубопроводов и облегчить применение инерционного наддува.

Впрыск можно производить как в рабочую камеру, так и во впускную трубу. Возможно применение факельного зажигания.

cyberpedia.su

3.2.5. Перспективы развития автомобильных двигателей

При работе с данным разделом Вам предстоит:

1) Изучить теоретический материал данной темы:

2) Ответить на вопросы для самопроверки.

3) Ответить на вопросы тренировочного теста № 5.

4) Ответить на вопросы контрольного теста № 5.

Изучаемые вопросы:

Перспективные конструкции автомобильных двигателей; их достоинства и недостатки

Газовые двигатели

Для транспортных газовых двигателей получение газа обеспечивается двумя способами:

– непосредственным производством, путем газификации твердого топлива в газогенераторах;

– путем установки баллонов периодически наполняемых газом.

В баллонах используют сжимаемые и несжимаемые газы.

Низкий эффективный КПД вследствие значительных тепловых потерь и применения небольших степеней сжатия.
Ограничение возможности повышения эффективного КПД из-за высокотемпературного процесса, что ограничивает применение материалов лопаток турбины и сопловых аппаратов. Кроме того, применение регенеративных циклов, вынужденных устанавливать теплообменные аппараты и соединительные газопроводы усложняют конструкцию, увеличивают ее вес и стоимость. Чем меньше мощность, тем сильнее сказываются перечисленные недостатки.
Работа на переменных режимах сопровождается резким падением эффективного КПД.
Ограниченный срок службы лопаточных аппаратов, находящихся под воздействием высоких температур и больших инерционных нагрузок.
Ограниченный срок службы деталей высокоскоростных редукторов.

Роторный двигатель

Рис. 16. Схема протекания рабочего процесса двухэпитрохоидного роторного двигателя

Рис. 17. Полярная диаграмма роторного двигателя

Дизельные варианты РД разрабатывались такими фирмами, как Krupp, Klochner – Humbold – Deutz, Daimler – Benz, Jnmar – Diesel.

Основная трудность:

сложность организации совершенного смесеобразования при впрыске топлива;
необходимость турбулизации заряда.

Применение впрыска бензина позволит:

устранить потери смеси, имеющие место при продувке;
понизить тепловую напряженность за счет отдачи тепла на парообразование топлива прямо в камере двигателя;
увеличить наполнение из-за уменьшения сопротивления на впуске и понижения температуры воздуха;
уменьшить подачу масла на охлаждение ротора;
уменьшить инерционные силы, нагрузки от них и износы;
упростить конструкцию впускных трубопроводов и облегчить применение инерционного наддува.

Сравнительная оценка поршневых и роторных двигателей

Серийные роторные двигатели (РД) введены в эксплуатацию в 1964 – 1965гг. Роторные двигатели имеют явное преимущество по сравнению с поршневыми по удельным мощностям и весогабаритным показателям. По литровой мощности и удельному весу только поршневые двигатели гоночных машин сравнимы с аналогичными параметрами РД. Экономичность поршневых и роторных двигателей практически одинакова. О долговечности говорить еще рано, так как поршневые двигатели существуют сотню лет, а РД только несколько десятков лет.

Наиболее слабое звено РД это износы пластин радиальных уплотнений. Одним из преимуществ РД является бесшумность работы. Надежность и безопасность РД равноценна поршневым. Особым преимуществом РД по сравнению с поршневым и газотурбинным двигателями является возможность создания унифицированных мощностных рядов с соотношением мощности от 1:1 до 1:10 путем наращивания мощностных секций. И конечно положительным качеством РД является простота конструкции и сравнительно небольшая стоимость.

Недостатками роторных двигателей являются:

Ограниченные возможности в образовании требуемой формы камеры сгорания.
Трудность обеспечения жидкостной смазки сопряженных пар, непосредственно соприкасающихся с горячими газами.
Отрыв пластин радиальных уплотнений от поверхности корпуса.
Система уплотнений менее надежна в работе и менее долговечна, чем у поршневых двигателей.
Процессы рабочего цикла распределены по отдельным участкам корпуса, что вызывает его неравномерное нагревание и деформацию.

На основании вышеупомянутого следуют выводы, что применять роторные двигатели наиболее целесообразно при низких и средних мощностях, а мощность в односекционном исполнении не должна превышать 100…150 кВт. Роторные двигатели широко применяются в вертолетостроении. В 70…80-е гг. ХХ века проводились большие работы по использованию роторных двигателей в автомобилестроении, однако по вышеперечисленным причинам широкого внедрения они не получили.

Двигатели с внешним подводом тепла (двигатели Стирлинга)

К особенностям двигателей Стирлинга следует отнести высокий КПД, возможность использования различных тепловых источников, в том числе и тепловых аккумуляторов, малую токсичность, низкий уровень шума и вибрации, незначительный расход масла, высокую экономичность при работе на неноминальном режиме, нечувствительность к пыли, возможность работы со значительными кратковременными перегрузками, большую теплоотдачу в окружающую среду, сложность регулирования и высокую стоимость изготовления.

Высокий КПД, а следовательно, и большая экономичность, является важной особенностью Стирлинга. Это связано с тем, что ηt термодинамического цикла Стирлинга равен КПД цикла Карно.

По данным фирмы Philips двигатели в диапазоне 6…900 кВт имеют КПД , равный 0,26…0,43. В настоящее время созданы двигатели с КПД равным 0,41…0,43 и ведутся работы по созданию Стирлинга с КПД равным 0,5 и удельным расходом топлива равным 170 г/кВт.ч. Предельная величина КПД с учетом достигнутых температур составляет 0,6. Однако для реализации этих возможностей необходимо преодолеть конструктивные и технологические трудности.

Внешний подвод теплоты, используемый в Стирлинге, позволяет применять различные тепловые источники без существенных изменений конструкции двигателя. Практически все ископаемые топлива от твердых до газообразных могут быть использованы в этом двигателе.

Термодинамический цикл Стирлинга

Двигатель Стирлинга является тепловым газовым двигателем поршневого типа с внешним подводом теплоты. Он работает по замкнутому циклу. В основе работы двигателя Стирлинга лежит термодинамический цикл, показанный на рис. 18.

Этот цикл состоит из следующих процессов: сжатие по изотерме а-с с отводом теплоты ; подвод теплоты при V=const; расширение по изотерме z –b с подводом теплоты ; отводприV=const.

Изотермическое сжатие происходит при низкой температуре Т2 и сопровождается отводом теплоты (для обеспечения изотермичности процесса). Изотермическое расширение при высокой температуре Т1 происходит с подводом теплоты (для обеспечения изотермичности процесса). Так как в процессеb – a рабочее тело охлаждается от температуры Т1 до температуры Т2 , а в процессе подвода теплоты c – z нагревается от Т2 до Т1, количество теплоты принципиально может быть регенерировано, т.е. сообщено рабочему телу в процессеc – z его нагрева. Регенерация теплоты является отличительной особенностью цикла Стирлинга.

Рис. 18. Термодинамический цикл двигателя Стирлинга

Полезная работа цикла Стирлинга также представляет собой разность работ: работы, полученной в процессе расширения, и работы, затраченной в процессе сжатия; эта разность эквивалентна площади a-c-z-b-a.

Принцип работы двигателя Стирлинга

В конструкции, представленной на рис. 19, холодное рабочее тело сжимается поршнем 2, движущимся влево (рис. 19,а), а вытеснительный поршень 1 в это время остается неподвижным.

Затем вытеснительный поршень при неподвижном рабочем поршне начинает двигаться вправо, переталкивая газ в горячую полость над вытеснительным поршнем через нагреватель Н (рис. 19,б). При расширении нагретого газа рабочий и вытеснительный поршни движутся вместе вправо (рис. 19,в), причем работу совершает только рабочий поршень, так как давление газа с обеих сторон вытеснительного поршня приблизительно одинаково.

Когда вытеснительный поршень при неподвижном рабочем поршне возвращается влево, перемещается газ в холодную полость под вытеснительным поршнем через охладитель О, происходит отдача теплоты холодному источнику (рис. 19,г). В этом случае происходит излишняя потеря теплоты при перетекании рабочего тела из горячей полости в холодную.

Рис.19.Схема работы двигателя Стирлинга

КПД двигателя существенно увеличится, если применить регенератор Р, который встраивается между нагревателем и охладителем и с помощью которого ликвидируется потеря теплоты. Регенератор накапливает теплоту, отнимая ее от нагретого рабочего тела при течении его в холодную полость и возвращая ее при обратном течении.

Двигатель может иметь буферную полость 3 и уплотнение 4, отделяющее буферную полость от внешней среды. В качестве рабочего тела для двигателя Стирлинга можно использовать водород. Двигатель при этом имеет наиболее высокие эффективные показатели рабочего процесса. Однако при его применении следует принимать особые меры для обеспечения безопасности эксплуатации такого двигателя.

Во многих случаях в качестве рабочего тела в двигателях используют гелий, аргон, углекислый газ или другие инертные газы. Это позволяет исключить возможность их окисления и использовать такие металлы, как ниобий или молибден или его сплавы. Эти материалы в нейтральной атмосфере при очень высоких температурах допускают напряжения до 40 кгс/мм2. Гелий обладает большей теплоемкостью и лучшей теплопроводностью по сравнению с воздухом. Использование гелия вместо воздуха позволяет сократить габаритные размеры теплообменных аппаратов примерно в 2…3 раза. Устройство двигателя Стирлинга представлено на рис. 20.

Рис. 20. Конструктивная схема двигателя Стирлинга с ромбическим механизмом:

1 - картер; 2 и 25 - шатуны; 3 и 26 - кривошипы коленчатых валов; 4 и 27 -противовесы коленчатых валов; 5 - синхронизирующая шестерня; 6 - буферная полость; 7 – рабочий поршень; 8 - холодная полость; 9 – вытеснительный поршень; 10 – канал подвода воздуха в камеру сгорания; 11 – нагреватель; 12 –камера сгорания; 13 – кольцевая полость; 14 – форсунка; 15 – канал отвода продуктов сгорания; 16 – воздухоподогреватель; 17 – регенератор; 18 –охладитель; 19 – водяная рубашка охладителя; 20 – цилиндр; 21 – диафрагменное уплотнение; 22 – шток рабочего поршня; 23 – шток вытеснительного поршня; 24 – траверса рабочего поршня; 28 – траверса вытеснительного поршня; 29 – палец шатуна

Особенности двигателя Стирлинга

Поскольку современные образцы двигателей Стирлинга имеют такие же удельные показатели по расходу топлива, мощности, массе и габаритным размерам, как и двигатели внутреннего сгорания, а в отдельных случаях и превосходят их, то они представляют большой интерес для нужд транспортного машиностроения.

К особенностям двигателей Стирлинга следует отнести высокий КПД (до 0,6), возможность использования различных тепловых источников, в том числе и тепловых аккумуляторных, малую токсичность (или отсутствие ее), низкий уровень шума и вибрации, незначительный расход смазочного материала, высокий КПД на неноминальном режиме, нечувствительность к пыли в окружающей среде, возможность работы со значительными кратковременными перегрузками, большую теплоотдачу в окружающую среду, сложность регулирования и относительно высокую стоимость.

Преимущество двигателей Стирлинга по сравнению с двигателями других типов: низкий уровень шума, малая токсичность, возможность использования различных видов топлив, высокая экономичность на частичных нагрузках – все это стимулирует работы по созданию двигателей Стирлинга для автомобилей различного назначения.

Наиболее перспективными конструкциями двигателей Стирлинга, обеспечивающими высокие удельные показатели по мощности, экономичности, массе и объему являются V-образные двигатели и двигатели с барабанным расположением цилиндров двойного действия. По величине среднего эффективного давления и литровой мощности двигатели Стирлинга превосходят дизели.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ

Какие существуют направления улучшения показателей автомобильных двигателей?
Какие виды альтернативных топлив могут быть использованы?
Какие новые типы двигателей могут быть использованы?
Перечислите их сравнительные достоинства и недостатки.

studfiles.net

О новом ДВС. Авто. Экономичный тюнинг. Экономия топлива, советы. Свечи, адаптивное зажигание.

О двигателях внутреннего сгорания нового поколения.

Чоповский Б. П.

По вопросу, на чем будем ездить, ответ содержится в нескольких последних публикациях, среди которых представляют интерес, помещенные в интернете статьи: Cергея Жукова "Симфония в два такта", Александра Воронцова "Полный вперед: Разделяй и властвуй", Александра Варапова "Феникс, XXI", Алексея Воробъева-Обухова "Двухтактный….Форд", также статья в журнале "Судоходство" №4/99 "ЗУЛЬЦЕР"- век надежной работы". В этих публикациях отражается перспективность поршневых двухтактных двигателей нового поколения, которые по экономичности, экологической чистоте и надежности отвечают всем современным требованиям. Появившиеся за последние годы только в РФ принципиально новые, защищенные патентами технические решения различных авторов по двигателям внутреннего сгорания (авторы: Осиповский Ф.Н., Скрипов Ю.Н., Лужков Ю.М., Колесов В.А., Харченко В. С., Курочкин А.Г., Чоповский Б.П. и другие) показывают, что попытки создания перспективных силовых установок продолжаются и при этом разработки ведутся в различных направлениях. Все новые технические решения нуждаются в дальнейшей проработке и оценке авторитетных исследовательских центров типа НАМИ, ЦИАМ и МОТОПРОМ, которые призваны определять наиболее перспективные направления дальнейших исследований с учетом уже имеющегося опыта в зарубежном двигателестроении. В частности требует подтверждения со стороны исследовательских центров в РФ перспективы развития двигателестроения в ХХI веке в направлении широкого использования двухтактных двигателей для авто и мото транспорта, определенные по материалам зарубежной печати и сформулированные в вышеназванной статье "Симфония в два такта". На основании опубликованных материалов можно сделать вывод, что наиболее перспективным направлением в двигателестроении для авто и мото транспорта считается развитие поршневых экологически чистых, экономичных, простых, дешевых в изготовлении и надежных, двухтактных двигателей внутреннего сгорания нового поколения, имеющих большую удельную мощность, малую удельную массу, внешний источник продувки цилиндров и условия смазки механизма движения, аналогичные четырехтактным двигателям. Большим преимуществом поршневых двухтактных двигателей является то, что они относятся к разряду традиционных двигателей, которые не требуют освоения новых технологий изготовления и использования новых материалов. Разработанные концерном "Даймлер Крайслер" двухтактные двигатели нового поколения для легковых машин имеют технико-экономические показатели выше, чем у четырехтактных двигателей. Серийный выпуск легковых автомобилей с двухтактным двигателем в настоящее время производится Австралийской фирмой "Орбиталь". Легковые автомобили с двухтактным двигателем планирует выпускать Московский завод ЗИЛ. Имеются большие перспективы использования двухтактных двигателей для большегрузных машин, тракторов и в судостроении, т.к. такие двигатели могут быть любой мощности. Танковые двухтактные двигатели выпускает завод имени Малышева на Украине. Все двухтактные двигатели нового поколения имеют прямой впрыск топлива в цилиндр после закрытия выпускных окон цилиндра. Также актуальным вопросом на рубеже XXI века можно считать по какому пути пойдет развитие двигателестроения для легкомоторной авиации, для которой определяющими показателями являются надежность и долговечность, малая удельная масса, простота и легкость ремонта, экономичность и небольшая стоимость. В настоящее время отечественные заводы не выпускают двигатели, отвечающие перечисленным требованиям, кроме того, нет двигателей, которые бы заполнили требуемый диапазон по мощности. В результате легкомоторные самолеты, выпускаемые промышленностью в РФ, комплектуются в основном дорогими двигателями зарубежного производства, такими как "Rotax" и "Hirth". В РФ в перспективе для легкомоторной авиации планируется выпускать роторно-поршневые двигатели "Ванкеля", освоение производства которых ведется на АВТОВАЗЕ. Но АВТОВАЗ занимается доводкой таких двигателей уже 25 лет и не сможет их сделать дешевыми. Кроме того, применение для авиации роторно-поршневых двигателей является спорным из-за их недостаточной надежности и сложности ремонта. Существует также объективное мнение, подтверждаемое неудачными попытками освоения их производства многими зарубежными фирмами, что роторный двигатель имеет порочные конструктивные недостатки, в том числе повышенный расход масла, тяжелые условия работы узлов уплотнений, подшипников качения и зубчатых пар. Такой двигатель не может быть рекомендован для любительской авиации, где ремонт двигателя в лучшем случае производится в условиях авторемонтной мастерской. Осваиваемые АВТОВАЗОМ роторно-поршневые двигатели не обеспечивают весь необходимый диапазон по мощности, т.к. разработанный ряд мощности является кратным по условиям уравновешенности двигателя и начинается с 70-ти л.с. Роторно-поршневые двигатели имеют ограниченную по условиям надежности скорость вращения и не дают значительного выигрыша по удельной массе на единицу мощности. Очень частым видом поломки является заклинивание двигателя и как следствие его полное разрушение. В части стоимости изготовления и ремонта роторных двигателей нет преимуществ перед традиционными авиационными двигателями зарубежного производства. Более того, их ремонт и обслуживание допускаются только в сервисном центре АВТОВАЗА в городе Тольятти и его филиале в г.Москве. Зарубежные фирмы после неудачных попыток устранить принципиальные недостатки роторно-поршневых двигателей отказались от их производства, в том числе из-за невозможности достичь современных высоких требований по экономичности и экологической чистоте выхлопных газов. Перечисленные факты ставят под сомнение перспективность и целесообразность использования роторно-поршневых двигателей для авиации, где основным требованием является надежность и возможность ремонта в различных условиях. Если в РФ нет перспективных двигателей для легкомоторной авиации и не принято основное направление для их развития, то напротив, интенсивные разработки в выбранном направлении ведутся за рубежом. Известно, что фирма "РЕНО" разрабатывает новое поколение двигателей для легкомоторной авиации, которые смогут обеспечить весь необходимый ряд мощности для СЛА. В перспективном направлении работает украинская фирма НПФ "АВИаМотоР", которая предлагает для установки на СЛА, а также на различные наземные альтернативные транспортные средства свой оппозитный двухцилиндровый двухтактный двигатель с воздушным охлаждением, мощностью 68 л.с. "Вулкан" МР-70, отвечающий по утверждению фирмы современным требованиям двигателя для СЛА. Однако недостатком многих существующих отечественных и зарубежных двухтактных двигателей для СЛА является то, что у них используется кривошипно-камерная продувка цилиндров топливо воздушной смесью или чистым воздухом. В последнем случае используется раздельная смазка, при которой чистое масло малыми порциями поступает для смазки поршней и подшипников, а затем смешивается с топливом. Такая схема смазки дает эффект по сравнению с использованием для смазки топливо воздушной смеси, но значительно хуже, чем у четырехтактных двигателей, т.к. создает только голодную смазку поверхностей трения. Другим недостатком, снижающим надежность двигателя, является использование самодействующих лепестковых клапанов во всасывающем тракте, что является препятствием для увеличения оборотов двигателя, а, следовательно, для увеличения его удельной мощности и снижения удельной массы. В результате все отечественные и зарубежные двухтактные двигатели имеют малую долговечность и низкую надежность, которые часто являются причиной отказов двигателя и создания экстремальных ситуаций во время полетов. Подтверждением сказанного являются по данным авиационных клубов участившиеся случаи отказов наиболее отработанных зарубежных двигателей Rotax, которыми комплектуются большинство отечественных СЛА. Учитывая изложенное, можно сформулировать основные технические требования при проектировании современных поршневых двухтактных двигателей для СЛА. 1.Смазка всех трущихся частей должна производиться, как и у четырехтактных двигателей, чистым маслом под давлением. Двигатель может быть с мокрым или сухим картером. При такой смазке становится возможным отказаться от подшипников качения, что позволяет упростить конструкцию двигателя и повысить его надежность. 2.Для повышения надежности целесообразно отказаться от использования в двигателе любых самодействующих или приводных клапанов подъемного типа. 3.Для повышения экономичности и чистоты выхлопных газов можно использовать уже отработанные системы для непосредственного впрыска топлива в цилиндр после закрытия впускных и выпускных окон. 4.Вместо кривошипно-камерной продувки использовать продувку цилиндров от внешнего источника, создающего давление выше атмосферного. 5.Предусмотреть возможность повышения коэффициента наполнения цилиндров за счет наддува, для чего может быть использована схема опережения открытия и закрытия выпускных окон по отношению к впускным окнам. Примером может служить схема прямоточной продувки двигателя Цоллера, который имеет два цилиндра и общую на два цилиндра камеру сгорания. При этом впускные окна расположены в одном цилиндре, а выпускные окна в другом цилиндре. Такая схема продувки позволяет наиболее эффективно осуществить наддув двухтактного двигателя до давления выше атмосферного. 6.Охлаждение цилиндров желательно использовать воздушное. 7.Для подачи в цилиндры оптимального состава топливо воздушной смеси можно использовать отработанные системы электронного контроля. Перечисленные требования обеспечат создание долговечного, надежного, экологически чистого и экономичного двухтактного двигателя нового поколения с малой удельной массой на единицу мощности, пригодного для использования на СЛА. Дополнительно разработчикам двигателей предлагается обратить внимание на новые варианты двухтактных двигателей, предложенные по патентам РФ № 2063524, 2118465 и 2143077, которые открывают новые направления в развитии поршневых двухтактных двигателей внутреннего сгорания. Двухрядные двигатели по двум последним патентам позволяют довести удельную массу двигателя до 0,3 кг. на одну л.с. Двухрядные четырехтактные двигатели изобретателя С.С.Баландина ранее выпускались для авиационных двигателей. Указанные варианты двухтактных двигателей по патентам РФ в настоящее время патентуются в США. Материалы по новым двухтактным двигателям переданы для рассмотрения на ряд автомобильных и мотоциклетных заводов в РФ, а также в концерн "Даймлер Крайслер" через его московское представительство. Изготовление таких двухтактных двигателей могли бы освоить в РФ Ирбитский и Ижевский мотоциклетные заводы на базе своих двухцилиндровых двигателей, Рыбинский моторный завод на базе двигателя для снегохода "Тайга", "Буран" и АВТОВАЗ. Разработка двухтактных двигателей нового поколения по патентам РФ № 2063524, 2118465 и 2143077 на стадии дипломного проектирования студентами уже несколько лет ведется на кафедре "Автомобили и тракторы" УГТУ-УПИ в г.Екатеринбурге. Для обсуждения перспектив развития и разработки двухтактных двигателей нового поколения приглашаются к участию как можно большее количество разработчиков. Имеются технические проекты более тридцати вариантов перевода существующих двухтактных и четырехтактных двигателей на двухтактный цикл работы по новым патентам РФ в зависимости от количества и расположения цилиндров. Ведется дополнительное патентование отдельных вариантов двигателя. С просьбой дать отзыв о перспективности новых двухтактных двигателей по патентам РФ представлены обращения в головные институты по двигателестроению, ведётся отработка перспективного бизнес-плана и поиск спонсоров для дальнейшего патентования в других странах и для изготовления опытных образцов. Спонсорам предлагается провести дополнительное патентование от своего имени. По запросу может быть предоставлена более подробная информация.

Чоповский Борис Петрович

Краткий комментарий.

Оширов В.

Очевидно, что совершенствование поршневого ДВС может идти по двум основным направлениям: сокращение внутренних потерь (трение, газообмен и д.р.) и совершенствование термодинамического рабочего и связанных с ним технологических циклов (процессов). Один из путей сокращения внутренних потерь почти в два раза – это простой двухтактный ДВС в различных вариантах. Но именно простой по конструкции ДВС, иначе по потерям он начнет приближаться к четырехтактному двигателю. Простоту конструкции нельзя понимать однозначно: подразумевается отсутствие элементов, приносящих значительные дополнительные внутренние потери (например: дополнительные поршни, сложные механизмы и т.п.) При всем этом необходимо сохранить ресурс на уровне четырехтактного ДВС. Сохранение ресурса двухтактного ДВС (ДДВС) связано в основном с усложненными условиями смазки ЦПГ; поскольку исходя из трибологии пары: поршневое кольцо – цилиндр, сохранение режима даже полужидкостного трения усложнено как, постоянным давлением, так и знаком приложения сил. Положение от части могут спасти современные твердые смазки, но преимущество ресурса четырехтактного ДВС по всей видимости останется. Совершенствование рабочего термодинамического и связанных с ним технологических циклов значительно шире и охватывает многочисленные стороны этих процессов. Эти стороны настолько многочисленны и разнообразны, что полного подробного "списка" практически не существует, поскольку он постоянно расширяется. Понятны основные критерии: простота и надежность вспомогательных систем и агрегатов, экономичность и высокая эффективность процесса горения топливного заряда, низкая токсичность первичных выхлопных газов, сохранение параметров на всех допустимых режимах работы, ориентация на перспективное топливо (пока в основном это газ и частично жидкие углеводороды), адаптивная система управления топливоподачей и процессом горения заряда, совершенствование самого термодинамического цикла (допустим: снижение давления в ВМТ, и повышение его, в зоне эффективных углов КШМ) и многое, многое другое. Действительно для высокооборотных ДВС наличие подъемных клапанов нежелательно, но для среднеоборотных ДВС, когда не требуется жестких ограничений по массе (автомобильные ДВС), наличие клапанов позволяет достаточно просто оптимизировать рабочий процесс в цилиндре, а при применении современных материалов и технологий позволяет получать достаточно надежные эффективные конструкции двигателей. Стремление получить максимальную удельную мощность, по всей видимости, должно уступать возможности получения максимальной экологической чистоте первичных выхлопных газов, а это связано в основном с совершенствованием процессов рабочего термодинамического цикла и процесса горения топливного заряда на всем своем протяжении и на всех допустимых режимах работы ДВС. Спор о преимуществах 2х тактного или 4х тактного ДВС однозначно решен быть не может. (См. статью: "4 – тактные против 2 – тактных с прямым впрыском. Битва за покупателя." Перевод Павла Дмитриева ) Современные 2х тактные ДВС с непосредственным впрыском по весовым показателям сравнялись с 4х тактными ДВС внешнего смесеобразования. По ресурсу 2х тактные ДВС отстают от своих медленных собратьев; сделать малогабаритным 2х тактный двигатель непосредственного впрыска достаточно проблематично, гораздо проще сделать аналогичный 4 - тактный двигатель с подобными характеристиками. Вопрос об относительной дешевизне и простоте 2х тактного двигателя неоднозначен; поскольку затраты на его обслуживание и ремонт значительно превосходят аналогичные для 4х тактных. В процессе дальнейшего совершенствования ДВС произойдет, по всей видимости, стирание основных различий между двумя классами данных двигателей. Другая сторона: нельзя считать поршневой ДВС основной силовой установкой будущего на транспорте, просто у поршневых двигателей останется своя ниша в многообразии СУ. Как пример можно привести двигатель "Перун" изобретателя Михаила Кузнецова, иначе называемый объемно – струйным двигателем (ДОС), который объединил в себе лучшие черты поршневого, газотурбинного и жидкостно-реактивного двигателей. (См.: Журнал "Эксперт" № 10(270), www.expert.ru). Хотя и у двигателя "Перун", при всех его достоинствах, возможна своя ниша, а именно – гибридные СУ нового типа: первичный двигатель, электрический генератор, электропривод с небольшой буферной батареей. Достаточно перспективным направлением может быть применение в СУ на транспорте кинетических ускорителей (для оптимизации режима разгона) на основе супермаховика и адаптивного вариатора. (См.: цикл статей д.т.н. Нурбей Гулиа в электронной библиотеке "Наука и техника": www.n-t.ru.). Подобные кинетические ускорители, при их компактном исполнении могут значительно расширить возможности традиционных СУ на транспорте. Доводка и испытание любого нового типа двигателей сопряжена с серьезными материальными затратами, поэтому изучение постороннего опыта, ошибок и грамотный анализ – должен занимать достойное место в этом процессе. Действительно, современная ситуация такова, что выбрав неверное направление развития наше двигателестроение будет неуклонно отставать все дальше и дальше от развитых стран. В цивилизованном мире отработаны несложные механизмы решения подобных проблем: это проведение открытых и доступных конкурсов, с привлечением всех возможных участников, затраты на поведение которых, включая достойные призы победителям, всегда оказываются значительно меньше тех затрат, которые могли быть израсходованы на получение аналогичного результата (практически не достижимого по качеству) при многолетней работе любого завода или института. Другими словами выигрыш от подобного независимого конкурса получает тот, кто его проводит, а в конечном итоге выигрывают все потребители, получая современный автомобиль или самолет. Дополнение. В процессе теоретического развития четырехтактного ДВС удалось "изобрести" новую конструкции двигателя. Данный двигатель удачно сочетает черты, как двухтактного, так и четырехтактного. См. статью: Создаем новый ДВС.

P.S. “Народ не желающий кормить своих изобретателей будет кормить чужих …”

Главная страница Статьи и разработки Обсудить на форуме E-mail: [email protected]

ingenrw.narod.ru