Бензиновый двигатель состоит из кривошипно-шатунного и газораспределительного механизмов, систем питания, смазки, охлаждения и электрооборудования.
В цилиндре двигателя горючая смесь, состоящая из топлива и воздуха, сгорает и, расширяясь, вызывает перемещение поршня. Поступательное движение поршня преобразуется кривошипно-шатунным механизмом во вращательное движение коленчатого вала, который посредством передачи движения через трансмиссию на колеса перемещает автомобиль.
Основные детали и параметры двигателя приведены на рис.
Кривошипно-шатунный механизм
Кривошипно-шатунный механизм предназначен для преобразования возвратно-поступательного движения поршней во вращательное движение коленчатого вала. Кривошипно-шатунный механизм состоит из блока и головки цилиндров, поршней с поршневыми пальцами, шатунов, коленчатого вала, маховика и картера с поддоном.
Блок цилиндров является остовом двигателя. Внутри него и на нем размещаются механизмы и различные устройства двигателя. Блок представляет собой общую для всех цилиндров отливку из специального легированного чугуна или из алюминиевых сплавов. Если блок алюминиевый, то в него вставляются легкосъемные чугунные гильзы — цилиндры, которые можно менять при капитальном ремонте. Внутри блока, между стенками цилиндров и его наружными стенками, имеются полости, называемые рубашкой охлаждения, по которым циркулирует охлаждающая жидкость.
Внутри блока имеются также каналы смазочной системы, по которым подводится масло к трущимся деталям двигателя.
Блоки цилиндров для мотоциклов имеют специальное оребрение, увеличивающее их поверхность для более эффективного охлаждения встречным потоком воздуха.
Головка блока цилиндров является общей для всех цилиндров. На отдельных дизельных двигателях каждый цилиндр (или пара цилиндров) может иметь собственную головку. В ней имеются внутренние полости, называемые камерами сгорания, и резьбовые отверстия для свечей зажигания. На головке размещают детали газораспределительного механизма, включая распределительный вал (валы), впускные и выпускные клапаны и детали привода клапанов.
Цилиндр является продолжением камеры сгорания. В нем происходит догорание топлива, он же направляет движение поршня. Внутренние стенки цилиндра подвергаются тщательной шлифовке и полировке. В двигателе легкового автомобиля может быть от 2 до 12 цилиндров.
Поршень служит для передачи давления продуктов сгорания на шатун и коленчатый вал. На боковой поверхности поршня проточены канавки для поршневых компрессионных колец.
Поршневые кольца изготовляют из легированного чугуна с высокой степенью упругости. Они выполняют следующие функции: уплотняют поршень в цилиндре, снимают излишки масла со стенок цилиндров, отводят тепло от поршня в стенки цилиндров.
В средней части поршня имеются два отверстия, в которые вставляется поршневой палец, соединяющий поршень с верхней головкой шатуна.
Шатун служит для передачи усилия от поршня к коленчатому валу и представляет собой стальной стержень с двумя головками. В верхнюю головку вставляется палец поршня, а нижняя головка соединяется с шейкой коленчатого вала.
Коленчатый вал преобразует передаваемое шатуном возвратно-поступательное движение поршня во вращательное. У коленчатого вала различают шатунные шейки, охватываемые головками шатуна, и коренные, на которых вал вращается в подшипниках картера. На конце коленчатого вала установлен маховик, который служит для стабилизации вращения вала, а также для вывода поршней из мертвых точек. На обод маховика напрессовывают стальной зубчатый венец, входящий в зацепление с ведущей звездочкой стартера.
Картер изготовляют, как и головку блока, из алюминиевых сплавов. Для мотоциклетных двигателей картер является основанием, на которое крепят основные детали двигателя. Во всех ДВС пространство картера, в котором вращается коленчатый вал и движется шатун, заполняется до определенного уровня машинным маслом. При вращении коленвала масло превращается в туман, обволакивающий все трущиеся детали двигателя. Съемный поддон картера открывает доступ к осмотру и ремонту кривошипно-шатунного механизма. На нем скапливаются также металлические частицы, выносимые маслом с поверхности трущихся деталей.
Газораспределительный механизм
Механизм газораспределения служит для впуска в цилиндр горючей смеси и выпуска отработавших газов. В зависимости от механизма газораспределения различают двухтактные и четырехтактные двигатели. Такт — это перемещение поршня из крайнего верхнего положения в крайнее нижнее или наоборот.
Крайние положения движущегося в цилиндре поршня называются верхней и нижней мертвыми точками. Расстояние между верхней и нижней мертвыми точками называется ходом поршня.
Рабочий цикл состоит из следующих тактов: впуск горючей смеси, сжатие, рабочий ход, сопровождающийся ее сгоранием, и выпуск продуктов сгорания. Если рабочий цикл происходит за два хода поршня (за один поворот коленчатого вала), то двигатель называют двухтактным, если за четыре (два оборота коленчатого вала) — четырехтактным.
В четырехтактных двигателях (рис.) применяется клапанный механизм газораспределения.
Рис. Схема работы четырехтактного карбюраторного двигателя: А — всасывание рабочей смеси; В — сжатие газообразного топлива; С — воспламенение топлива и рабочий ход; D — выпуск отработавших газов В головке каждого цилиндра имеются впускной и выпускной клапаны, через которые соответственно впускается топливная смесь и выпускаются отработавшие газы. Открытие и закрытие клапанов осуществляется с помощью распределительного вала с эллипсовидными кулачками. При вращении распределительного вала его кулачки воздействуют на подпружиненные стержни клапанов и в нужный момент открывают или закрывают их. Вращение распределительного вала обеспечивается кинематической связью с коленчатым валом.
На первом такте (такт впуска) поршень, опускаясь вниз, всасывает в цилиндр через впускной клапан топливовоздушную смесь. На втором такте (такт сжатия) поршень движется в обратном направлении, и смесь сжимается примерно до 0,1 первоначального объема цилиндра, т. е. до 10 атм. В конце такта сжатия свеча зажигания воспламеняет топливовоздушную смесь, которая с большой скоростью равномерно сгорает, при этом давление в цилиндре повышается до 60 кгс/см2. Если сгорание топлива происходит мгновенно, взрывообразно, то такое нежелательное явление называется детонацией.
Для наиболее полного и эффективного использования энергии горячих газов воспламенение топлива в цилиндре, как и другие операции, должно происходить в строго определенные моменты времени. В большинстве двигателей воспламенение производится незадолго до окончания хода сжатия, поскольку сгорание топлива не происходит мгновенно. Время, требуемое для полного сгорания топлива, зависит от конструкции -двигателя.
Под действием высокого давления поршень устремляется в положение нижней мертвой точки, совершая третий такт — рабочий ход.
Поступательное движение поршня посредством шатуна преобразуется во вращательное движение коленчатого вала. На четвертом такте (такт выпуска) поршень выталкивает из цилиндра через открытый выпускной клапан продукты сгорания.
В двухтактных двигателях клапанный механизм отсутствует. Газораспределение осуществляется поршнем, который при движении последовательно открывает и закрывает впускное, перепускное и выпускное окна в стенках цилиндра (рис.).
Рис. Схема работы двухтактного двигателя: А — всасывание рабочей смеси; В — впрыск и сжатие газообразного топлива; С — воспламенение топлива и рабочий ход; D — выпуск отработавших газов При движении поршня вверх в картере создается разрежение воздуха, при этом в стенке цилиндра открывается впускное (самое нижнее) окно в картер двигателя. Под действием разрежения рабочая смесь из карбюратора устремляется в картер, а смесь над поршнем сжимается.
Когда поршень достигает верхней мертвой точки, смесь воспламеняется искрой и поршень под действием давления продуктов сгорания устремляется вниз, приводя во вращение коленчатый вал.
Первым по ходу движения поршня открывается выпускное (верхнее) окно, через которое выбрасываются отработавшие газы. Топливная смесь в картере при движении поршня вниз сжимается. В конце хода поршня открывается третье (среднее) окно с перепускной трубкой, через которое камера сгорания начинает заполняться свежей смесью. Следует заметить, что очистка цилиндра от продуктов сгорания и наполнение его рабочей смесью происходят одновременно, при этом часть свежей рабочей смеси выбрасывается в атмосферу.
Таким образом, в двухтактном двигателе за время первого такта происходит одновременно сжатие в цилиндре рабочей смеси и впуск в картер свежей порции топлива, а во время рабочего хода происходит вначале выпуск отработавших газов, а затем уже впуск в камеру сгорания свежей рабочей смеси.
Охлаждение двухтактных двигателей осуществляется встречным потоком воздуха при движении мотоцикла, а смазка — путем добавления масла в бензин. Иногда масло попадает на электроды свечи, препятствуя образованию искры.
Для вентиляции внутренней полости цилиндра служит декомпрессор, который состоит из клапана, открывающего доступ воздуха из атмосферы в камеру сгорания, и троса с рычагом привода. Декомпрессор используется для продувания избытка топлива и масла из камеры сгорания, а также для охлаждения перегретого двигателя.
Несмотря на то что рабочий ход в двухтактном двигателе совершается в 2 раза чаще, чем в четырехтактном, мощность двухтактного двигателя и его экономичность меньше. Это обусловлено тем, что значительную часть хода (20-35%) поршень совершает при открытых окнах, когда давление в цилиндре отсутствует, и двигатель практически не производит работы; очистка пространства в цилиндре от продуктов сгорания происходит неполная; часть свежей смеси выбрасывается при продувке в атмосферу.
Однако отсутствие клапанного газораспределительного механизма, жидкостной системы охлаждения, механической системы смазки значительно снижает массу двигателя, упрощает конструкцию и уход за двигателем во время эксплуатации. Все это делает двухтактный двигатель незаменимым для легких мотоциклов, мотоблоков и другой сельскохозяйственной техники.
Система смазки
Во время работы двигателя между его соприкасающимися подвижными деталями возникает трение. При этом детали подвергаются интенсивному нагреву и износу. На преодоление трения затрачивается значительная часть полезной энергии. Для уменьшения трения применяется машинное масло. Масло образует тонкую пленку между трущимися деталями, которая не только уменьшает трение, но и уносит с поверхности деталей мелкие твердые частицы (песок, металл), уменьшая износ двигателя.
В двухтактных двигателях мотоциклов смазка производится маслом, которое добавляется к топливу. Его заливают вместе с бензином в бензобак в соотношении 1:25 (при обкатке 1:20).
Топливная смесь бензина, масла и воздуха устремляется из карбюратора в картер, смазывая в нем все детали кривошипно-шатунного механизма, попадает далее в рабочий цилиндр, сгорает и уносится в виде отработавших газов. Добавление масла в топливную смесь приводит к загрязнению выхлопа и ухудшению работы двигателя из-за нагара. Это один из недостатков, присущих двухтактным двигателям.
Смазочная система четырехтактных двигателей легковых автомобилей комбинированная: под давлением и разбрызгиванием. Под давлением смазываются наиболее нагруженные трущиеся детали двигателей — подшипники коленчатого и распределительного валов. Разбрызгиванием смазываются стенки цилиндров, поршни, поршневые кольца, поршневые пальцы и детали газораспределительного механизма.
В четырехтактном двигателе картер частично заполнен маслом, которое при вращении коленвала превращается в масляный туман, разбрызгивается на стенки цилиндра и создает смазку между ними и поршнем.
Смазочная система включает в себя масляный поддон, масляный фильтр, масляный насос, масляный радиатор, маслопроводы, заливную горловину и указатель уровня масла.
Масляный поддон (картер) является резервуаром для масла. Он закрывает двигатель снизу, и в нем масло охлаждается. Он имеет резьбовое отверстие с пробкой, предназначенное для слива масла.
Масляный насос подает масло под давлением к трущимся поверхностям деталей двигателя. Обычно используются масляные насосы шестеренчатого типа. Ведущая шестерня на вале насоса вращает ведомую шестерню, свободно закрепленную на оси. Масло заполняет впадины между зубьями шестерен и под давлением переносится в главную масляную магистраль.
Масляный радиатор служит для охлаждения масла и устанавливается обычно в двигателях с воздушным охлаждением.
Масляный фильтр очищает масло от твердых частиц (продуктов износа трущихся деталей, нагара и т. п.). На автомобилях применяются неразборные масляные фильтры, которые подлежат замене после каждой смены масла в двигателе.
Указатель уровня масла представляет собой шкалу с рисками на стержне щупа. По следам масла на стержне контролируется необходимый уровень масла в картере,
Еще одним недостатком двухтактного двигателя являются проблемы со смазкой. В четырехтактном двигателе картер частично заполнен маслом, которое при вращении коленвала разбрызгивается на стенки цилиндра и создает смазку между ними и поршнем. В двухтактном двигателе топливная смесь бензина, масла и воздуха устремляется в картер, смазывая в нем все детали кривошипно-шатунного механизма, попадает далее в рабочий цилиндр, сжимается, сгорает и уносится в виде отработавших газов. Добавление масла в топливную смесь приводит к загрязнению выхлопа и ухудшению работы двигателя из-за нагара.
Однако отсутствие клапанного газораспределительного механизма, жидкостной системы охлаждения, механической системы смазки значительно снижает массу двигателя, упрощает конструкцию и уход за двигателем во время эксплуатации. Все это делает двухтактный двигатель незаменимым для легких мотоциклов, мотоблоков и другой сельскохозяйственной техники.
Система охлаждения
Во время работы двигателя температура продуктов сгорания в его цилиндрах поднимается до 1600-2200 °С. При такой температуре алюминиевые сплавы, из которых отливаются блок цилиндров и его головка, могут расплавиться. Для поддержания оптимального температурного режима двигателя в пределах 80-100 °С служит система охлаждения. Наиболее известны два способа охлаждения: воздухом и жидкостью.
Воздушное охлаждение двигателей осуществляется естественном путем за счет обдува встречным потоком воздуха (мопеды, мотоциклы), а также принудительно с помощью вентилятора (мотороллеры, некоторые автомобили). Эффективность охлаждения зависит от размера ребер цилиндра, теплопроводности металла, температуры окружающего воздуха или интенсивности обдува.
На мотоциклах наиболее эффективное охлаждение достигается на высоких скоростях движения. Езда на пониженной скорости ведет к перегреву двигателя, неполному сгоранию масла в двухтактных двигателях, а следовательно, к повышенной задымленности выхлопных газов.
Жидкостная система охлаждения двигателя, как правило, герметичная с принудительной циркуляцией. Система состоит из рубашки охлаждения, головки и блока цилиндров, радиатора, насоса, термостата, электровентилятора, расширительного бачка, соединительных трубопроводов и сливных краников. Кроме того, в систему охлаждения входят отопитель салона кузова автомобиля, обогреватель впускного коллектора или всего блока карбюратора.
Охлаждающая жидкость прокачивается насосом через рубашку охлаждения головки и блока цилиндров. Тепло через стенки цилиндра передается жидкости. Затем жидкость прокачивается в радиатор, в котором она отдает свое тепло воздушному потоку.
В качестве охлаждающей жидкости используются незамерзающие растворы — антифризы, которые представляют собой смеси этиленгликоля и воды с добавлением антикоррозионных и антивспенивающих присадок, исключающих образование накипи.
Расширительный бачок служит для поддержания объема охлаждающей жидкости на определенном уровне при колебании ее температуры. Бачки изготовляют из полупрозрачной термостойкой пластмассы. Горловина бачка используется для наполнения всей системы охлаждающей жидкостью.
Принудительная циркуляция жидкости обеспечивается лопастным насосом центробежного типа. Привод насоса осуществляется ремнем от шкива, который установлен на переднем конце коленчатого вала двигателя.
Термостат представляет собой автоматический клапан, который перекрывает доступ жидкости в радиатор и тем самым способствует ускорению прогрева двигателя при запуске, особенно в холодное время года. Как только температура охлаждающей жидкости поднимется до уровня 80 °С, автоматический клапан открывается и жидкость устремляется в радиатор, где получает необходимое охлаждение.
Радиатор обеспечивает отвод тепла охлаждающей жидкости в атмосферу. На легковых автомобилях применяют обычно трубчато-пластинчатые радиаторы. Радиаторы могут быть с вертикальным или горизонтальным расположением латунных или алюминиевых трубок. Для повышения эффективности теплоотдачи к трубкам припаиваются алюминиевые или стальные луженые пластины.
Для принудительного обдува радиатора используется электровентилятор, который включается и выключается автоматически датчиком в зависимости от температуры охлаждающей жидкости.
Система питания
Система питания служит для приготовления горючей смеси, подачи ее в цилиндры двигателя и удаления из цилиндров отработавших газов.
Система питания состоит из топливного бака, фильтра тонкой очистки, топливного насоса, воздушного фильтра, карбюратора или системы впрыска и топливопроводов.
Топливный бак служит для хранения запаса топлива, необходимого для определенного пробега автомобиля. На легковых автомобилях применяют топливные баки отштампованные из стального листа, освинцованного с обеих сторон, или пластмассовые, которые намного легче металлических, не коррозируют, не "искрят" при ударе металлическими предметами и более вместительны.
Горловина бака закрывается герметичной крышкой. В нижней части бака, как правило, имеется сливное отверстие. Количество топлива в баке контролируется реостатным датчиком, поплавок которого помещен внутри бака. Топливозаборная трубка имеет на конце сетчатый фильтр.
Топливный фильтр тонкой очистки находится в карбюраторе или встраивается в топливную магистраль у инжекторных ДВС. Очистка топлива необходима, чтобы не засорялись каналы и элементы системы питания.
Топливный насос диафрагменного типа служит для подачи топлива из топливного бака в карбюратор. Диафрагма насоса колеблется под действием подпружиненного штока, скользящего по поверхности эксцентрика на валу привода масляного насоса. Над диафрагмой насоса имеется полость с нагнетательным и всасывающим клапанами, которые обеспечивают пульсирующую подачу масла к карбюратору.
Топливный насос инжекторных ДВС электрический и устанавливается на топливной магистрали или непосредственно в баке автомобиля. В отличие от диафрагменного, электрический насос осуществляет подачу топлива непрерывно. Насос имеет неразъемную конструкцию и в дополнительной смазке не нуждается.
Воздушный фильтр очищает воздух, поступающий в карбюратор, от пыли и других примесей. Пыль содержит кристаллы кварца, который, попадая на стенки цилиндра, ускоряет их изнашивание. Различают фильтры инерционно-масляные и бумажные.
Карбюратор (рис.) служит для приготовления горючей смеси бензина с воздухом.
Рис. Схема простейшего карбюратора: 1 — смесительная камера; 2 — диффузор; 3 — воздушной патрубок; 4 — воздушная заслонка; 5 — топливопровод; 6 — отверстие, соединяющее поплавковую камеру с атмосферой; 7 — запорная игла; 8 — поплавок; 9 — поплавковая камера; 10 — жиклер; 11 — распылитель; 12 — дроссельная заслонка Простейший карбюратор состоит из поплавковой и смесительной камер. В поплавковой камере находится пустотелый поплавок, который с помощью иглы перекрывает доступ бензина в камеру из бензобака. Если уровень бензина в поплавковой камере понижается, то поплавок вместе с иглой опускается, открывая канал подачи бензина. Таким образом, в поплавковой камере количество бензина поддерживается всегда на одном уровне. В корпус смесителя топливо подается через калиброванное отверстие — жиклер.
При такте впуска под действием разрежения в цилиндре двигателя атмосферный воздух через воздухоочиститель устремляется через смесительную камеру карбюратора в цилиндр, втягивая из распылителя капли бензина, как пульверизатор, при этом бензин мгновенно превращается в паровоздушную смесь. Испарению жидкого топлива способствуют горячие каналы коллектора.
Количество смеси, поступающей в двигатель, регулируется воздушной заслонкой — дросселем или акселератором, приводимыми в действие с помощью педали. Поднимая или опуская заслонку, водитель увеличивает или уменьшает количество топлива, поступающего в цилиндр. Вместе с этим изменяется мощность двигателя и частота вращения коленчатого вала.
При пуске холодного двигателя для лучшего воспламенения необходимо горючую смесь обогатить бензином. С этой целью в карбюраторе на входе установлена воздушная заслонка, управляемая кнопкой из салона автомобиля. В нормальном положении воздушная заслонка всегда открыта. При пуске и прогреве холодного двигателя заслонка прикрывается, концентрация паров бензина в смеси резко возрастает — это способствует лучшему воспламенению топлива в цилиндрах и запуску двигателя. После прогрева двигателя воздушную заслонку вновь открывают.
В автомобилях используют двухкамерные карбюраторы. Первая камера обеспечивает работу двигателя на малых и средних нагрузках. Вторая камера совместно с первой обеспечивает работу двигателя с максимальной мощностью. Карбюратор устанавливается на входе впускного коллектора двигателя.
Карбюраторный способ приготовления рабочей смеси прост и недорог, однако не позволяет обеспечить полное сгорание топлива и его экономный расход.
Более эффективным способом подачи топлива является принудительный впрыск его в цилиндры, во время такта сжатия за счет избыточного давления (до 100 атм). Двигатели с принудительным впрыском в технической литературе часто называют инжекторными.
Топливо может впрыскиваться как во впускной коллектор, так и непосредственно в цилиндры, минуя клапаны. Если топливо вводится в коллектор с помощью одной форсунки, то такой впрыск называется одноточечным или центральным. Недостатком такой подачи топлива является невозможность регулирования состава топливной смеси в каждом цилиндре в отдельности, а это бывает необходимо в случае их разной степени износа (определяется по температуре нагрева каждого цилиндра).
Более эффективный и надежный результат дает использование индивидуальных форсунок для каждого цилиндра. Такой вариант получил название многоточечного, или распределенного, впрыска. Распределенный впрыск позволяет увеличить мощность двигателей почти на 10%, а за счет лучшего сгорания топлива количество СО снижается на 20%.
Самый современный способ подачи топлива — это электронный впрыск топлива в цилиндры, минуя клапаны, с использованием магнитного зажигания и компьютерного управления двигателем. В такой системе имеется несколько датчиков, измеряющих рабочие параметры двигателя: частоту вращения коленчатого вала, температуру каждого цилиндра, количество кислорода в выхлопной трубе и др. На основе этих данных компьютер регулирует подачу топлива в каждый цилиндр с таким расчетом, чтобы обеспечить его оптимальное сгорание в любых условиях работы. Система встроенной диагностики позволяет значительно уменьшить расход топлива, снизить токсичность выхлопных газов и увеличить мощность двигателя. На современных двигателях в последнее время стали применять системы наддува, которые подают в цилиндры воздух под давлением, увеличивая тем самым его количество и в итоге мощность мотора.
Для наддува используются два вида нагнетателей: механические с приводом от коленвала и турбокомпрессоры, приводимые в действие отработавшими газами (турбонаддув).
Механические нагнетатели просты по конструкции и давление, развиваемое ими, напрямую зависит от оборотов коленчатого вала, благодаря чему машина быстро реагирует на нажатие педали акселератора (повышается приемистость двигателя). Недостатком является повышенный расход топлива по сравнению с двигателем с турбонаддувом.
При турбонаддуве выхлопные газы вращают турбину турбокомпрессора, связанную напрямую с турбиной, которая нагнетает свежий воздух в систему питания. Ранние системы турбонаддува повышали мощность двигателя только при высоких оборотах двигателя. Современные системы с несколькими ступенями наддува обеспечивают прирост мощности мотора практически во всем диапазоне частот вращения двигателя.
Впускной коллектор обеспечивают подачу горючей смеси из карбюратора в цилиндры. Он имеет один вход от карбюратора и несколько выходов (по числу цилиндров). Во время работы двигателя он разогревается до высокой температуры, что способствует превращению капельно-воздушной смеси в смесь, которая сгорает более интенсивно.
С целью обеспечения более равномерного заполнения камеры сгорания паровоздушной смесью и более полной очистки ее от продуктов сгорания на некоторых современных двигателях устанавливают до 4 клапана на цилиндр (16-клапанные двигатели). Такая конструкция двигателей обеспечивает улучшенную по сравнению с 2-клапанной конструкцией подачу бензино-воздушной смеси в цилиндры что способствует более полному сгоранию топлива и соответственно более высокому КПД двигателя и уменьшению токсичности отработавших газов.
При высоких температурах горения образуются оксиды азота, которые относятся к особо вредным веществам, присутствующим в продуктах выброса. Наиболее практичный способ снизить их выброс — отправить часть отработавших газов обратно в подготавливаемую топливную смесь и таким образом довести процесс окисления азота до конца. Но поскольку при этом страдает топливная экономичность, на большинстве автомобилей оксиды азота частично удаляются каталитическим нейтрализатором.
В этом устройстве, устанавливаемом в системе выпуска, отработавшие газы проходят сквозь слой химически активных веществ (катализаторов), превращающих вредные соединения в углекислый газ, водяной пар и азот. Катализатор не расходуется в ходе процесса, так что нейтрализатор сохраняет свои свойства в течение длительного срока.
Выпускной трубопровод предназначен для отвода из цилиндров двигателя отработавших газов. Он имеет выходы из каждого цилиндра и один общий вход в глушитель. Выпускной трубопровод испытывает жесткие температурное и химическое воздействия, поэтому отливается из чугуна.
Глушитель уменьшает шум при выпуске отработавших газов. В его корпусе размещаются перфорированные трубы с перегородками. Отработавшие газы, выходящие с большой скоростью из выпускного трубопровода, поступают в корпус глушителя, расширяются и, пройдя через ряд отверстий перфорированных труб, теряют скорость, вследствие чего уменьшается шум при выходе газов из глушителя в атмосферу. При этом на выталкивание отработавших газов и преодоление сопротивления в глушителях затрачивается до 4% мощности двигателя. На легковых автомобилях обычно устанавливают один за другим два глушителя (основной и дополнительный), благодаря чему обеспечивается двойное расширение отработанных газов и более эффективное снижение шума. Оба глушителя имеют одинаковое устройство и отличаются только размерами.
Электрооборудование
Современный автомобиль нуждается в электрооборудовании для освещения дороги, для приведения в действие стеклоочистителей и вентиляторов, сервоприводов оконных стекол и сидений, для питания аудиосистем и компьютера. Однако важнейшая функция электрооборудования — приводить в действие стартер во время пуска двигателя и создавать искру, воспламеняющую топливную смесь в цилиндрах.
Электрооборудование автомобиля включает в себя источники тока (аккумуляторную батарею и генератор) и потребители (системы зажигания, пуска и др.).
Аккумуляторная батарея служит для питания током приборов электрооборудования автомобиля при неработающем двигателе. Батарея состоит из шести свинцово-кислотных аккумуляторов, помещенных в отсеки аккумуляторного бака. При последовательном соединении батарея обеспечивает 12-вольтовое напряжение. Каждый элемент аккумулятора состоит из положительных и отрицательных пластин, разделенных друг от друга пористой пластмассой (мипорой). Положительные пластины отливаются из окислов свинца Рb3О4 (свинцовый сурик) и РbО (свинцовый глет), отрицательные пластины прессуют из чистого свинцового порошка. Электролитом служит раствор серной кислоты в воде.
Аккумулятор заряжают, пропуская через батарею постоянный ток. При этом электрическая энергия преобразуется в химическую. На положительных пластинах откладывается перекись свинца РbO2, на отрицательных — губчатый свинец Рb. При разряде происходит обратный химический процесс.
Основными электрическими параметрами аккумулятора являются: номинальное напряжение, номинальная емкость, зарядный ток и др.
Маркировка аккумуляторов проставляется на свинцовых перемычках. Типичной аккумуляторной батареей является батарея 6СТ-55-ЭР. В маркировке первая цифра обозначает число аккумуляторов в батарее, буквы СТ — батарея стартерного типа, число после букв — номинальную емкость батареи в ампер-часах, при 20-часовом режиме разряда. Последние буквы обозначают материал бака (Э — эбонит) и материал сепаратора (Р — мипора).
Генератор служит для обеспечения током всех приборов и для подзарядки аккумулятора во время работы двигателя. На автомобилях устанавливают трехфазные генераторы переменного тока с выпрямителями на кремниевых диодах. Генератор преобразует механическую энергию двигателя в электрическую. Основными частями генератора являются статор с неподвижной обмоткой, в которой индуктируется переменный ток, и ротор создающий подвижное магнитное поле. Ротор приводится во вращение через шкив генератора от коленчатого вала двигателя с помощью клинового ремня.
Переменный ток преобразуется в постоянный с помощью выпрямительного блока, состоящего из шести кремниевых диодов.
Регулятор напряжения служит для ограничения напряжения, вырабатываемого генератором при увеличении частоты вращения коленчатого вала двигателя. При увеличении скорости вращения вала двигателя напряжение на выходе генератора возрастает свыше 14 В, что недопустимо.
Различают механические регуляторы напряжения с размыкающимися контактами и более современные и надежные микроэлектронные регуляторы, встроенные прямо в корпус генератора. В микроэлектронной схеме нет движущихся частей в отличие от механических регуляторов, и поэтому в ней ничего не изнашивается. Принцип действия как механических, так и электронных регуляторов одинаков и сводится к периодическому размыканию цепи питания обмотки ротора при чрезмерном увеличении напряжения на обмотках генератора.
Потребителями тока в автомобиле являются стартер, система зажигания, система освещения, система сигнализации, контрольные электроприборы и дополнительное оборудование (стеклоочиститель, электростеклоподъемники, обогрев стекол и сидений, прикуриватель, вентилятор).
Стартер обеспечивает вращение коленчатого вала во время запуска двигателя. Стартер представляет собой электродвигатель постоянного тока мощностью около 1,5 кВт. На валу якоря стартера установлена шестерня, которая в момент запуска двигателя входит в зацепление с венцом маховика — зубьями, нарезанными по окружности маховика коленвала двигателя. После запуска двигателя шестерня привода автоматически выводится из зацепления с венцом маховика, что предохраняет стартер от разрушения. Для этого в стартере предусмотрено пусковое реле.
Система зажигания служит для воспламенения рабочей смеси в цилиндрах двигателя. Рабочая смесь в карбюраторных двигателях воспламеняется искрой, которая возбуждается между электродами свечи. Для образования искры необходимо высокое напряжение (20-24 кВ). Различают контактные и бесконтактные электронные системы зажигания.
В контактную систему зажигания входят индукционная катушка зажигания, распределитель зажигания, конденсатор, свечи зажигания и ключ для выключателя.
Ток высокого напряжения вырабатывается в индукционной катушке, состоящей из первичной и вторичной обмоток. Во вторичной обмотке количество витков примерно в 7000 раз больше, чем в первичной.
Распределитель зажигания (тромблер) состоит из прерывателя тока низкого напряжения и распределителя (по цилиндрам) тока высокого напряжения.
Прерыватель представляет собой кулачок на распределительном вале, который при набегании на рычажок с контактом размыкает цепь первичной обмотки катушки зажигания. Это происходит в тот момент, когда поршень в одном из цилиндров достигает верхней "мертвой" точки. Через первичную обмотку катушки проходит от аккумулятора или генератора ток низкого напряжения (6-12 В). При размыкании контактов прерывателя в первичной обмотке катушки магнитное поле исчезает. При резком изменении магнитного поля во вторичной обмотке возникает напряжение порядка 20 000 В, достаточное, чтобы между электродами свечи, включенной в цепь вторичной обмотки, возник искровой разряд.
Чтобы контакты прерывателя не выгорали, параллельно им подключается конденсатор, который, кроме того, способствует повышению напряжения на вторичной обмотке катушки.
Распределитель тока высокого напряжения имеет четыре (по числу цилиндров) боковых электрода, расположенных по окружности, в центре которой находится центральный электрод. Боковые электроды связаны со свечами зажигания, а центральный электрод — со вторичной обмоткой катушки зажигания проводами высокого напряжения. Центральный электрод и боковые электроды поочередно замыкает вращающийся ротор, который раздает высокое напряжение в нужные цилиндры, где должен начинаться рабочий ход. Вал ротора распределителя зажигания приводится во вращение от шестерни от распределительного вала двигателя. Недостатком такой схемы зажигания является постоянное обгорание контактов и необходимость периодической регулировки зазора между ними.
Общая тенденция совершенствования систем зажигания состоит в том, чтобы обходиться без механических компонентов с их движущимися и трущимися частями, которые со временем изнашиваются и выходят из строя.
Бесконтактная электронная система зажигания позволяет более точно регулировать момент зажигания и не требует технического обслуживания в процессе эксплуатации. Суть электронной системы зажигания состоит в том, что вместо механического прерывателя в ней используется бесконтактная электронная схема с использованием магнитно-импульсного устройства. Частота импульсов устройства соответствует частоте вращения коленчатого вала двигателя (датчик считывает сигналы с маховика двигателя).
Магнитный сигнал, генерируемый устройством, преобразуется в электрический и подается на коммутатор, который прерывает ток в первичной обмотке катушки зажигания. В остальном принцип работы электронной системы зажигания тот же.
На некоторых двигателях для каждого цилиндра устанавливается отдельная катушка зажигания, совмещенная со свечой зажигания. При этом отпадает необходимость в прерывателе-распределителе с его ротором, распределяющим напряжение по свечам. Отсутствие подвижных контактов повышает надежность пуска и работы двигателя, упрощает техническое обслуживание системы зажигания в целом.
В современных моделях автомобилей устанавливается микропроцессорная цифровая система зажигания и система встроенной диагностики. Основными частями цифровой системы являются контроллер, представляющий собою микропроцессор, коммутатор, две катушки зажигания и датчики (углового положения коленчатого вала, температуры охлаждающей жидкости, положения дроссельной заслонки, количества воздуха, количества топлива). По сигналам датчиков контроллер по заданной программе точно определяет оптимальный момент опережения зажигания в цилиндрах и передает управляющие сигналы на коммутатор.
Свеча зажигания необходима для создания искры. На нижней части свечи находится резьба для ввертывания в отверстие головки цилиндра. Свеча имеет два электрода: один (центральный) электрод соединяется непосредственно проводом высокого напряжения с индукционной катушкой, другой — с металлическим корпусом свечи и "массой" двигателя. Центральный электрод отделен от корпуса свечи керамическим изолятором.
Провода высокого напряжения служат для соединения вторичной обмотки катушки зажигания со свечами зажигания. В обычных системах зажигания применяют провода типа ПВВП. Сердцевина провода представляет собой шнур из льняной пряжи, заключенный в оболочку из пластмассы. Поверх оболочки намотан провод из сплава никеля и железа. Снаружи провод изолирован поливинилхлоридной оболочкой. Провода имеют довольно высокое сопротивление, что обеспечивает снижение радиотелевизионных помех.
В бесконтактных системах зажигания применяются провода типа ПВВП-8 красного цвета и ПВВП-40 синего цвета.
Они отличаются более надежной изоляцией и большим сопротивлением.
Выключатель зажигания обеспечивает включение и выключение системы зажигания, стартера, контрольных приборов и др. Обычно выключатель зажигания совмещен с устройством блокировки руля. Выключатели зажигания последних моделей имеют специальное устройство против повторного включения стартера без предварительного выключения зажигания. Оно предохраняет от случайного включения стартера при работающем двигателе, которое может привести к поломке привода стартера.
znaytovar.ru
%PDF-1.5 % 2 0 obj > /Lang (ru-RU) /Type /Catalog /Pages 4 0 R /MarkInfo > /Metadata 5 0 R /Outlines 6 0 R /StructTreeRoot 7 0 R >> endobj 5 0 obj > stream 2012-03-16T21:40:19+02:002012-03-20T02:38:24+02:00Microsoft® Office Word 2007Microsoft® Office Word 2007application/pdf
airspot.ru
НЕГОСУДАРСТВЕННОЕ ЧАСТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
КУБАНСКИЙ СОЦИАЛЬНО — ЭКОНОМИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ
ИНЖЕНЕРНЫЙ ФАКУЛЬТЕТ
Реферат
«Роторно-поршневые двигатели»
Выполнил студент
группы 05-ЧС
Ярмолюк В.В.
Краснодар 2009г.
Роторный двигатель, двигатель внутреннего сгорания, в котором энергия сгорающих газов преобразуется в механическую с помощью ротора, совершающего вращательное или вращательно-возвратное движение относительно корпуса. Идея создания Роторный двигатель, известного также как коловратный или роторно-поршневой, была впервые выдвинута в 16 в. Зарегистрировано несколько тыс. патентов на Роторный двигатель
Первая попытка постройки действующего образца Роторный двигатель относится к 1799, однако практически пригодные двигатели появились лишь в 1957 (Ванкеля двигатель).
В процессе работы объёмы полостей, формируемые поверхностями ротора и корпуса, периодически изменяются — непрерывно повторяются циклы сжатия и расширения рабочего тела. Т. о., в Роторный двигатель возможны те же рабочие процессы (двухи четырёхтактные), которые характерны для поршневых двигателей внутреннего сгорания.
Современные Роторный двигатель выполняются как с одной, так и с двумя и тремя рабочими секциями (2 или 3 ротора, сидящих на общем эксцентриковом валу).
1. Многороторный многоступенчатый двигатель внутреннего сгорания
Рассмотрим пример роторного двигателя, многоступенчатого принципа действия, компактно расположенного в одном корпусе на центральном роторе имеется турбина и вал отбора мощности. В предложенном двигателе использована работа шестерёнчатых пневмодвигателей работающих без расширения рабочего тела высокого давления. Единственно известный в технике мотор, работает без расширения рабочего газа, в процессе вращения роторов, «с полным наполнением рабочих камер сжатым газом (межзубовых впадин), и использован в данном изобретении. Это значит, что если в рабочую камеру шестерёнчатого двигателя подается холодный газ с давлением 20 или 50 атм., то каждый ротор, провернувшись на 1/18 часть оборота (количество впадин на роторе) отсекает порцию газа во впадине последним «зубом» выходящим из рабочей камеры и уносит те же 20 или 50 атм. сжатого газа через выходную камеру, в атмосферу БЕЗ РАСШИРЕНИЯ!!! Вот этот совершивший работу, но не расширившийся газ, уносимый во впадинах из рабочей камеры на пути к выходной камере, используется еще раз, через изобретенные промежуточные паро(газо)проводные каналы, выполненные в корпусе двигателя по патенту № 1722239 и в данной заявке на патент. Двигатель работает следующим образом: из парогенератора высокого давления (не показан), пар, например 20…50 атм., подается во вход 4 (в рабочую камеру) первой ступени двигателя, представляющую собой два ротора 1, 2. Под действием давления пара «зубчатые» роторы 1, 2 вращаются в направлениях указанных стрелками. Из паронесущих впадин 20 отработанный пар высокого давления выходит в первые два промежуточных паропроводных канала 6 и поступает в рабочую камеру 7 второй ступени двигателя, состоящего из роторов 1 и 3. Роторы 1, 3 второй ступени двигателя вращаются от отработанного пара в первой ступени двигателя в направлениях указанных стрелками. Из паронесущих впадин 20 второй ступени двигателя (роторы 1 и 3) пар поступает через первых два промежуточных паропроводных канала 8 в основной вход 14 турбины 15. Остаток пара, находящийся во впадинах 20 первой ступени двигателя (роторы 1, 2), переносится до следующих двух каналов 12 и поступает на промежуточную ступень 16 турбины 15.
Также на промежуточную ступень 16 турбины 15 поступает пар от роторов второй ступени через каналы 10 среднего давления. Остаточное давление пара во впадинах 20 от роторов обоих ступеней через каналы 13 и 11 поступает на промежуточную ступень 17 турбины 15.
В прототипе и в данной заявке рабочий газ используется в двух ступенях высокого давления и в турбине. Если начальное рабочее давление газа увеличить до 80-100 атм., то можно использовать каскад из трех и более таких ступеней высокого давления, состоящих из трех и более боковых роторов, вращающихся вокруг центрального ротора и одну турбину. Общий КПД такого двигателя будет еще выше. Один шестеренчатый пневмодвигатель работает без расширения газа, имеет КПД 65-72%, КПД газовых турбин более 80%.
2. Роторно-поршневой двигатель. Что такое роторно-поршневой двигатель (сокращенно — РПД)? Это бензиновый мотор с искровым зажиганием, работающий по четырехтактному циклу (рис. 1). В блоке цилиндров — статоре, внутренняя поверхность которого представляет сложную кривую — эпитрохоиду, вращается ротор (рис. 2). Его функция аналогична той, что выполняют поршень с шатуном в обычном моторе. Крутящий момент передается на эксцентриковый вал. Газообмен происходит через впускные и выпускные окна, а смесь в вытянутой камере сгорания последовательно поджигают две свечи.
РПД меньше и легче поршневого двигателя, равного по мощности, в полтора-два раза. Да и по конструкции «ротор» проще и надежнее, к тому же не требует частого обслуживания. Но коль есть плюсы, найдутся и минусы. Например, повышенный расход масла и бензина. Считается, что РПД трудно загнать в жесткие экологические рамки. Мощностные характеристики таковы, что требуется изменять трансмиссию автомобиля (например, максимум момента достигается на очень высоких оборотах — до 8000 об/мин!). В какой-то степени это болезни роста, ведь РПД моложе традиционных моторов на полвека...
Рис 1: Принцип работы роторно-поршневого двигателя
Время шло, поршневые моторы матерели, угрожая в любой момент превзойти по силам РГЩ. Кроме того, на производителей давили основные заказчики -спецслужбы, которым был нужен мощный и в то же время компактный двигатель. Прелесть РГЩ в том, что его легко «умножить на два» — добавить еще один статор и ротор.
Первым двухсекционным мотором, сделанным у нас, стал 120-сильный ВАЗ-411. Мотор получился удачным -15 лет его устанавливали под капот «жигу-лей». Первые две машины передали спецслужбам летом 80-го, а всего выпустили более 200 автомобилей. Позже родился преемник с широкими секциями и увеличенной мощностью (99,3 кВт/135 л. с).
С появлением переднеприводных моделей вазовское КБ начало активно работать над новым мотором. Опытный двухлитровый ВАЗ-414 немного отличался от предшественника. Статор — самый ответственный и дорогой элемент был уже не открытого, а коробчатого типа. Подобная конструкция надежнее — деталь меньше страдает от перегрева и имеет большую жесткость. Правда, отливать заготовку и обрабатывать внутренние каналы такого корпуса сложнее. Окончательным вариантом для переднеприводных моделей стал карбюраторный ВАЗ-415 приведенным объемом 2,6 л. Электронный впрыск, как обязательный атрибут всех будущих моторов, уже разработан, но применяется только на авиационных «ванкелях». Когда он спустится с небес на землю — одному Богу известно.
К сожалению, развитие автомобильных РПД на ВАЗе приостановилось. Все же эти моторы требуют… собственных автомобилей. А в условиях массового производства держать на конвейере специальную модель «под РПД» не всегда удобно. Впрочем, японская «Мазда» последовательно доказывает обратное.
Не так давно в нашей стране всерьез рассматривали роторно-поршневой мотор как замену ныне господствующих в автомобильном мире двигателей Отто и Дизеля. Казалось бы — собирай секции в длиннющую «колбасу» и получишь ряд унифицированных (!) моторов мощностью до 1000 л. с! Увы, стыковать больше двух секций очень сложно технологически. Впрочем, модульный принцип мог быть реализован с помощью угловых редукторов: секции РПД располагались вертикально, как цилиндры обычного мотора, а редукторы передавали крутящий момент на общий горизонтальный выходной вал! Относительно маломощные РПД предполагали устанавливать на легковые автомобили и небольшие самолеты, посильнее — на грузовики, пассажирский и железнодорожный транспорт. Красивая идея так и не воплотилась в жизнь...
3. ВАЗ о своих роторно-поршневых двигателях. Есть интересные аргументы в их пользу.
Первые страницы истории вазовских РПД начали заполняться довольно давно. О них нам любезно согласились рассказать стоявшие у самых истоков Николай Максимович Головко и Евгений Артемович Башинджагян.
Н.М.Головко:
— Я до сих пор бережно храню технический отчет, написанный но итогам поездки в Японию в 1973 году. Это был период ажиотажа вокруг двигателя Ванкеля. Принципиально новый движок привлекал, прежде всего, значительно меньшим, по сравнению с традиционным поршневым, весом, низкой шумностью, хорошей уравновешенностью. Несколько повышенный — на 8-10 процентов — расход топлива на том этапе не смущал. Думалось, что его удастся в последующем снизить после доводки. Не останавливали даже видимые сразу сложности в обработке деталей двигателя, в первую очередь ротора, статора, элементов уплотнения. Для всего этого требовалось принципиально новое оборудование, повышенный класс обработки.
Но если европейцы, японцы и американцы могут, то мы чем хуже?.. Специальная пресса раз за разом сообщала о внимании в мире к РПД. Лицензию у Ванкеля закупают 25 крупнейших автомобильных фирм. Массовый выпуск роторно-поршневых двигателей начинает японская «Тойе-Когио», впоследствии переименованная в «Мазду», и «Ауди НСУ», входящая в концерн «Фольксваген». В Люксембурге создается завод «Комотор», рассчитанный на выпуск миллиона принципиально новых двигателей в год с участием, насколько помню, «Ситроена», ФИАТа, «Ауди НСУ» и других солидных фирм. В этой обстановке «Тот, кто опоздал — тот проиграл».
… Где-то в начале 1973 года Правительством СССР принимается решение о разработке общегосударственной программы по РПД, и, как первый шаг, направление в Японию представительной делегации во главе с В.Н. Поляковым. Чтобы уяснить внимание к этому вопросу, скажу, что задание на командировку утверждалось (а затем принималось) лично зам. председателя Совмина страны В.Н.Новиковым. В составе делегации были А.И. Вольский, возглавлявший в ту пору отдел машиностроения ЦК КПСС, помощник премьера М.И.Малахов, представители Госплана, ГКНТ, «Лицензинторга», министерства станкостроительной промышленности, НАМИ. О перспективной нацеленности свидетельствовало то, что рабочий, сказал бы так, костяк группы составляли вазовцы — будущий начальник СКБ РПД Б.С. Поспелов, М.А.Коржов от конструкторской службы, и я, от технологической.
Вернулись с настроением, что этим заниматься надо. Мнение еще больше укрепилось через полгода, когда мы выехали практически в том же составе в Германию. На фирму «Ауди НСУ», которая выкупила у Ванкеля право распоряжаться его разработками. Немцы пытались быстрее получить дивиденды с этой новинки, усиленно убеждали нас в необходимости покупки у них лицензии, и будь мы хоть немного более сведущи в этом деле, глядишь и согласились. Но мы просто боялись наделать глупостей и показать себя полными профанами: если по конструкции РПД в НАМИ собрали хоть какую-то информацию, то технологии никто не знал.
И в Германии перед нами не очень-то открывались. О том, чтобы сфотографировать, что-то зарисовать, даже внимательно рассмотреть, и речи быть не могло. Все в общем плане, «на проходе».
О лицензии не договорились. Это огромные деньги. Но технология производства уже начала прорисовываться. Вместе со мной писали ее Карпушкин Леша, Соловьев Слава, чуть позднее подключился Акоев Владимир Михайлович, — всю технологическую работу вело поначалу МСП. Вскоре уже можно было начать привязку «к месту». Да и В.Н.Поляков торопил: «Надо, не мешкая, создавать экспериментальное производство». Тогда и сориентировались на базу учебного центра — там же 10 тысяч квадратных метров производственных площадей.
Начали добывать станки, приспособления под нашу технологию. К этому плотно подключился Б.С.Поспелов. Все, что только можно было достать у военных, еще где… Пробивная мощь у него была огромная. М.А.Коржов также уделял большое внимание новинке. Причем технологическое обоснование закладывалось многовариантное, под самые различные типы РПД, включая и маленькие, для моторных лодок, для мотоциклов.
В это время большинство крупнейших мировых фирм заметно охладело к двигателю Ванкеля.
— У меня есть свое понимание этого. Здесь сказала свое слово большая политика. Принципиально РПД доказал свое право на жизнь. Но для широкого внедрения его требовались очень серьезные средства, коренная перестройка всех сложившихся производственных потоков и, по сути, списание в убыток колоссальных и далеко еще не возмещенных вложений в традиционные «поршневики». Понятно, что кое-кому показалось выгоднее сбить прыть у «Ванкеля», осадить его, по крайней мере, на главном направлении — в массовом автомобилестроении. Подтверждением тому довольно успешное продвижение РПД для мотоциклов, моторных лодок. Мне даже довелось увидеть установки на основе РПД для германского бундесвера, почти бесшумные. Надо ли говорить, какое значение это имеет для подводного флота?
Мое глубочайшее убеждение — последнее слово здесь еще не сказано.
Хочу подчеркнуть, что мы старались всегда смотреть трезво на вещи. Даже самые рьяные ревнители двигателя Ванкеля не ведут речь, что он может заменить в ближайшей перспективе двигатель поршневой. Тем более что и сам Ванкель не проектировал свой двигатель сугубо под автомобиль. Он, наделенный, несомненно, искрой Божией, мыслил гораздо шире.
Инженерные разработки, выполненные в разных фирмах и странах, подтвердили практическую возможность выпуска двигателя, имеющего ряд крайне привлекательных свойств по сравнению с традиционным поршневым, уже почти достигшим своего потолка. Прежде всего, по весо-габаритным характеристикам: на единицу мощности РПД имеет значительно меньший объем.
Была подтверждена сама возможность создания двигателя, в котором бы отсутствовало возвратно-поступательное движение. А ведь с этим связаны основные износы, виброактивность и т.д. Плюс меньше деталей в двигателе. Все это родило надежду, что если довести рабочий процесс по крайней мере до уровня поршневого двигателя, даже с учетом крупных затрат по развертыванию нового производства, РПД может вполне претендовать на самый массовый выпуск и даже, выскажу свое мнение, претендовать на революционный скачок в деле освоения ресурсосберегающих технологий.
Назову, ради справедливости, и основные доводы противников РПД. Кроме сугубо спекулятивных посылок (зачем отказываться от традиционных технологий, в которые уже вложено столько средств?), это несколько повышенный расход топлива у нынешних роторников, низкий ресурс уплотнений камеры сгорания, ряд претензий по экологии, — опять же в значительной мере основываясь на данных 60-х годов. Что я причислил бы к неизбежным детским болезням.
Мне довелось беседовать на эту тему с зарубежными учеными, инженерами, бизнесменами. Господин Гарсайт много лет возглавлял известную фирму «Нортон». «Я не могу назвать ни одной технической причины, по которой этот проект мог бы быть отклонен». То же самое заявил директор фирмы «Ванкель» господин Айерман, бывший главный конструктор фирмы «Ауди» господин Штейнварт.
Давайте непредвзято заглянем за тот же «бугор». Фирма «Мазда» выпускает в год порядка 60 тысяч автомобилей с роторно-поршневым двигателем и успешно продает их, обеспечивая надежность и самые высокие требования по экологии. Англичане продолжают работать над роторной тематикой. Американцы несколько сократили масштабы и, тем не менее… Они увидели в РПД новые заманчивые возможности, сориентировав этот двигатель для транспортных средств войск специального назначения, быстрого реагирования. Осознав, что лезть с РПД на рынок массового автомобилестроения с его жесткой конкуренцией и необходимостью огромных капиталовложений неразумно, они решили опереться и использовать уникальные особенности роторника. Это прежде всего габаритные характеристики: обычно военная техника имеет очень плотную «упаковку» и выигрыш каждого дюйма свободного пространства значит весьма много. Второе — стоимостные показатели. РПД относительно дешевый двигатель. И третье — по специфике рабочего процесса этот двигатель менее требователен к октановому числу бензина. Они развили эту особенность и решили задачу создания всеядного двигателя. Что горит, на том он и должен работать: бензин, керосин, дизтопливо, спирт, газовое топливо. Ведь военная техника может оказаться в регионах, где нет или крайне трудно обеспечить ее традиционным топливом.
Если уж мы вышли на эту несколько скользковатую тему, назову факты, прошедшие в открытой печати. Во время вооруженного конфликта с Египтом и Сирией Израиль использовал беспилотные авиационные разведчики поля боя, на которых стояли роторно-поршневые двигатели мощностью 100-150 лошадиных сил.
— Весьма любопытно, но давайте сначала поговорим о развитии автомобильного профиля РПД.
— 18 апреля 1974 года появился приказ по «АВТОВАЗу» о создании специального конструкторского бюро по роторно-поршневым двигателям. Работа развернулась буквально по всем направлениям. Началось формирование коллектива «роторщиков», костяком которого стали вазовцы. Были приглашены двигателисты с авиационных предприятий Куйбышева. Молодежный костяк бюро составила большая группа выпускников Тольяттинского политехнического института.
Объединенными усилиями ВАЗа, НАМИ, НАТИ, ВНИИмотопрома и других институтов создавались первые образцы отечественного роторного двигателя и основы его производства.
Внимательно изучались образцы лучших зарубежных роторно-поршневых двигателей фирм «Ауди НСУ», позднее «Мазды», «Фихтель и Закс», Удалось заимствовать оттуда ряд решений, но, по большому счету, подбор материалов, пар трения, технологию изготовления, системы охлаждения и смазки двигателя создавали сами. Некоторые из тех пионерных решений, определившие идеологию первых РГЩ, актуальны и по сей день. Назову хотя бы систему управления зажиганием. Первоначально проводились безуспешные попытки внедрения механического «двухэтажного» распределительного зажигания по типу «Мазды». Однако привод его «безобразил» двигатель, и после того как МА Коржов познакомился в Штутгарте с версией управления зажиганием немецкого изобретателя Хартига, на основе ее началась разработка электронно-цифровой системы зажигания для РГД, ив 1975 году уже появились первые собственные системы электронного зажигания.
Параллельно с разработкой блока управления зажиганием, что само по себе было проблемным из-за отсутствия электронной базы в автомобилестроении, велась разработка датчиков контроля параметров двигателя, исполнительных устройств, освоение всей этой новой техники на заводах отрасли. Более 50 разработок были подтверждены авторскими свидетельствами.
Я бы назвал период с 1973 по 1980 год самым ярким в биографии РПД на ВАЗе и в стране. Это был период осуществления больших дел по всем направлениям роторной тематики, больших надежд и первых сомнений. Уже ко Дню машиностроителя 1974 года была изготовлена первая опытная партия РГЩ, и начались стендовые испытания. Сначала это был односекционный, чуть позднее развернулись работы по двухсекционному двигателю.
Все это уже на фоне несколько изменившегося в мире отношения к РПЦ. Мировой энергетический кризис середины 70-х годов и более жесткие требования к расходу топлива, а затем и усиление экологических требований добавили противников РПД Главный аргумент в том, что из-за щелевой неоптимальной камеры сгорания организовать хороший рабочий процесс в РПД невозможно, он всегда будет проигрывать поршневому двигателю. А учитывая необходимость крупных инвестиций во все стадии жизненного цикла этого двигателя, индустриализация его нецелесообразна.
… Ванкель не был профессиональным двигателистом. Точнее его было бы назвать просто талантливым и удачливым изобретателем, наткнувшимся на свою «золотую жилу». Он умер в 1988 году, в возрасте 86 лет, далеко не бедным человеком. Продажа лицензий на РПЦ, акции фирмы «НСУ» позволили ему сколотить приличное состояние.
80-е годы стали для коллектива СКВ РПД периодом борьбы за выживание. К этому времени большинство европейских и американских фирм, занимавшихся автомобилями с РПД, включая «Дженерал Моторс», к концу 70-х годов свернули свои «роторные» программы. На плаву осталась только упорная японская «Мазда».
Представьте себе спортсмена — бегуна, слегка задержавшегося на старте, но затем резво пустившегося догонять основную группу соперников и вдруг обнаружившего, что впереди никого нет, нет даже и финишной ленточки…
К Олимпийским играм 1980 года в Москве СКВ РПД подготовил для спецслужб МВД и КГБ партию скоростных вазовских автомобилей с двухсекционными роторно-поршневыми двигателями мощностью 120 л. с. Машины понравились, шла их доводка.
Часть автомобилей с РПД поступила в свободную продажу.
— Я вспоминаю рассказ Е.А. Башинджагяна, как он, уже, будучи зам. министра автомобильной промышленности, ошеломлял сотрудников ГАИ на правительственной Рублевке. Его машина прямо от светофора брала с первой на третью передачу и стремительно уходила в отрыв. Еще бы, под капотом было 140 «лошадей». Колеса чуть ли не дымились, как у первых реактивных самолетов при посадке.
— Ничего удивительного. Нам даже пришлось ограничивать возможности двигателя в части реализации мощности. Зажали на выпуске штатную выпускную систему, зажали мощностные характеристики системами питания. — Чтобы автомобиль ненароком не превратился в самолет? — Не смейтесь, и это могло произойти, окажись еще под колесами хороший трамплинчик. Но, прежде всего, чтобы ресурс ходовой части РПД был в рамках поршневого. Вместе с тем приобретая дополнительные качества с точки зрения динамики и скорости.
Вообще ниша скоростных автомобилей у нас в стране не культивировалась до недавних пор. В отличие от западных моделей так называемого псевдоспортивного класса. Это не чисто Спортивный гоночный автомобиль, но и не автомобиль общего пользования. Многие западные фирмы на базе одного кузова выпускают несколько модификаций с разными двигателями: 1,3 -1,6,1,8-2 литра. И в России появился сектор, пусть пока и небольшой, людей богатых, которые могут позволить себе купить автомобиль с несколько повышенным расходом топлива, но зато дающий «простор душе».
У нас есть партнер в Бельгии, тоже инженер, со своей фирмой, зараженный идеей РПД. Он занимается тем, что покупает у «Мазды» двигатели и ставит их на европейские автомобили. Он предлагает поставлять ему двигатели, а он будет работать как наш дилер в Европе.
Как только структуры госбезопасности, министерства внутренних дел, и в частности ГАИ, оказались на «голодном пайке», мы потеряли очень крупного заказчика. Которому и мы, думаю, были нужны и полезны. И не среагируй вовремя… А так, бросив главные силы на автомобили общего пользования, мы смогли к лету 97-го года провести сертификацию 8-го, 9-го, 99-го и 15-го автомобилей с роторно-поршневыми двигателями мощностью 140 л. с. Получив тем самым право продавать их.
Уже выстроился целый модельный ряд наших роторников: ВАЗ-413, ВАЗ-414, ВАЗ-415. Последний сумел унаследовать от 413-го двухсекционника его надежность (именно на нем была отработана специальная система смазки «угловых» уплотнений ротора, позволяющая обеспечить его надежную и длительную работу — «Волги» с таким мотором ходили по 300 тысяч километров), а от 414-го — компоновочные решения, позволяющие сделать его универсальным по применяемости для любых вазовских моделей, от «классики» и «Нивы» до «восьмерки» и «десятки».
Семейство 415-х двигателей, имеющих сжатие 9,4 единицы, рассчитано на бензин с октановым числом 93 (возможно применение и 76-го бензина, хотя для этого требуется некоторое изменение системы зажигания), и на стандартные «жигулевские» масла.
Обслуживание «роторника» проще, чем его поршневого собрата. Ведь у РПД нет газораспределительного механизма, а, следовательно, отпадает трудоемкая операция по регулировке клапанных зазоров. Во время технического обслуживания лишь меняются свечи, фильтры и масла.
Если же говорить о мощностных возможностях нашего 415-го двигателя, то сейчас мы работаем над форсированной версией этого двигателя к спортивной «десятке». Он обеспечит мощность в 240-250 л. с. (то, что показывает японская «Мазда»), а в перспективе и до 300 л. с. Если же оснастить его еще системой турбонаддува, имеется реальная возможность снимать 450-500 л. с.
Первые выступления этого роторника на больших соревнованиях (под управлением нашего же гонщика Бориса Маслова) не просто подтвердили наши надежды, но и вызвали своеобразный шок у вазовских конкурентов. Думаю, появление на трассах соревнований «десятки» с доведенным 415-м РПЦ откроет если не новую главу, то главку в развитии этого увлекательного вида спорта.
Больше того, мы все время приспосабливали свои двигатели под какие-то автомобили. А сегодня, убежден, пришла пора разрабатывать автомобили под наши РПЦ.
По существу на сегодняшний день создан двигатель, который может служить базовым для автомобилей ВАЗ, АЗЛК, «Ижмаша». Среднего класса, аналог поршневому двухлитровому.
Есть достаточно серьезные наработки с нижегородцами в части адаптации нашего мотора на автомобиль ГАЗ-3102. Мы сертифицировали этот двигатель, мы уже начали его выпускать и поставлять ГАЗу, но требовались дополнительные вложения в производство для развития массового выпуска, а у Волжского автомобильного, отдавшего все свои ресурсы «десятке», машине ВАЗ-2110, возможностей ддя этого не нашлось. Хотя уверен, сделанный задел втуне не пропадет.
— Владимир Андреевич, еще раз хочу вспомнить разговор с Евгением Артемовичем Башинджагяном. Как неожиданное задание по РПЦ было получено распоряжением из Кремля. «Понимаете, очередной визит вМоскву на самом высоком уровне.Машину сопровождает почетный эскорт, мотоциклисты. На мощных, но неимоверно чадящих мотоциклах. Когда они влетели в Кремль, там во внутреннем дворике чад стоял.
Был тогда во „ВНИИмотопроме“ энтузиаст РПЦ, который и предложил использовать вазовские односекционные движки на киевские мотоциклы М-72. Что себя полностью оправдало. Мощность — 40 лошадиных сил, торцевые уплотнения вполне обеспечивали характеристики, чистоту выхлопа. У мотоциклов с нашими РПЦ уже вполне хватало силенок, чтобы не отставать от правительственных „членовозов“ на скорости 170-180 километров в час».
— Это стало хорошей проверкой наших сил, возможностей и, по сути, освоением новой размерности двигателя. На базе ее были в дальнейшем созданы лодочный мотор, авиационный двигатель для мотодельтапланов и легких самолетов.
Руководители КБ самарского завода имени Фрунзе просто вцепились в наш РПД для своих «Вихрей». Вместе с ними мы провели серию испытаний, получили отличные характеристики, встал вопрос о начале серийного выпуска, но все уперлось в отсутствие средств. Перестройка, переход к рынку развязали нам руки в выборе партнеров, но и с голыми пятками (и карманами) тоже далеко не уйдешь.
Подобная же ситуация возникла с пермяками. Они, мне говорили, спят и видят поставить РПД на свои моторные лодки. Что бы то ни было, эту тематику не бросаем. Как только возникнут условия для тиражирования, тут же реализуем наши разработки.
Интересным, многообещающим видится создание компрессора на базе роторно-поршневого двигателя, что впрямую связано с ресурсосберегающими технологиями. Влезли в эту проблему и неожиданно оказались в эпицентре схватки межнациональных корпораций. Одна из крупных японских фирм уже настроилась выпускать такие компрессора. Об этом прознали конкуренты, изготовители поршневых компрессоров. Начался прессинг… через производителей электромагнитных муфт, необходимого узла управления компрессорной системой. «Если будете поставлять электромагнитные муфты для компрессоров с РПД — и неизвестно еще, что там получится, — мы ликвидируем все свои заказы у вас». Очередное подтверждение, что мировой рынок в целом расписан, поделен и, чтобы выйти сюда с какой-то новой продукцией, нужно вложить дополнительные средства, соизмеримые с основной технологической подготовкой.
Трудно, очень трудно, дорого, и все же пробиваться туда надо.
Совсем недавно проявилось еще одно близкое к этому направление. Использование РПД в холодильной технике и даже весьма многообещающих так называемых «тепловых насосах», черпающих энергию «из ничего», из разницы температур, например, подземных и наземных вод.
Не ради же красного словца возникло изречение: кто владеет холодом, тот владеет миром. Холодильные установки, кондиционеры… Сфера применения криогенной техники расширяется на глазах. И для нее как нельзя лучше подходит РПД. Одна из западногерманских фирм, фирма «Вебасто», которая занимается климатическими установками для большегрузных автомобилей, комбайнов и т.д., прямо заявила нам при встрече: если только найдем в мире надежного поставщика, мы готовы сменить поршневые компрессоры на роторные.
— Мы выполнили по заказу военно-морского флота серию разработок на основе РПД, существенно повышающих тактикотехнические возможности вооружения. Уже шли согласования крупных военных заказов, обеспеченных солидными инвестициями — под конкретное роторно-поршневое производство. Настроение в коллективе было приподнятое. Все работали с удивительным подъемом, переходя иной раз даже дозволенные границы техники безопасности. Стремление как можно быстрее получить желаемые результаты толкало участников натурных испытаний в самое пекло. «Изделия», как мы их называли, работали на токсичном топливе и должны были после завершения серии испытаний пройти дезактивацию. Но тот же Б.С. Поспелов, чтобы выявить причину какого-то сбоя, лез в еще «тепленький» движок и потом его приходилось откачивать. Может это в чем-то и приблизило его кончину в январе 1988 года, в возрасте 59 лет. Он отдал всего себя этому делу.
Государственные испытания прошли успешно, но это уже мало что значило на фоне надвигающегося развала судостроительной промышленности Союза…
Вообще-то нам везло на экзотику. С моряками мы научили РПД плавать, и с ними же, но в Нижнем Новгороде, учили РПД передвигаться на границе двух сред — воздуха и воды.
Известное центральное конструкторское бюро по судам на подводных крыльях имени Р.Е. Алексеева, создав класс скоростных судов — экранопланов водоизмещением порядка 400 тонн и скоростью 450 километров в час, начало осваивать и малый класс этих судов. Кстати, американцы, получив со спутников из космоса снимки экранопланов, назвали их «чудовищами Каспийского моря», так необычайны и опасны они были с военной точки зрения.
Так вот, 8-местные судна на динамической воздушной подушке «Волга-2» и экраноплан «Стриж» были построены и доведены во многом благодаря оснащению их мощными и легкими роторно-поршневыми двигателями и непосредственному участию СКВ РПД. Проблемы, трудности с доводкой забываются, в памяти же остается ни с чем не сравнимое чувство полета над водой, заснеженной Волгой, и братство людей, делающих одно дело.
В Москве, в аппаратах ЦК КПСС и Совмина готовилось постановление, призванное поддержать роторно-поршневое двигателестроение, развернуть серийное производство РПД различного, в том числе и «морского» назначения, однако уже в конце 80-х годов, на фоне ухудшающегося социально-экономического положения в стране, стало ясно, что ожидать активного участия государства в подобных проектах не приходится.
Использовании наших РПД в авиации, то это отдельная большая глава в биографии СКВ. Причем двигателей существенно, качественно новых. Не случайно же авиационники при встречах с нами, автомобилистами, любят напоминать, что в небе нет обочин. В случае отказа мотора приткнуться некуда. Отсюда первое требование: объект, который взлетел, он должен благополучно сесть. Прежде всего надежность и уже затем все прочее: ресурс, весогабаритные характеристики, расход топлива, расходы на техническое обслуживание и поддержание летной годности в процессе жизненного цикла.
… СКБ РПД входило уже в состав научно-технического центра, возглавлял который тогда В.В. Каданников. И когда он позвонил мне с просьбой принять представителей известной вертолетной фирмы Миля, я был внутренне готов к этому.
Началась раскрутка. Мы провели макетную комиссию, был, по существу, создан образец этого вертолета и двигатель под него, приступили к стендовым испытаниям, 5-местный многоцелевой вертолет для летных училищ, войсковых структур и гражданской авиации. Машина с двумя роторно-поршневыми двигателями, работающими на один объединяющий редуктор — для решения задач высокой надежности в полете: даже если отказывает один двигатель, вертолет летит на другом.
Уже нарабатывалась версия серийного производства таких авиационных двигателей на Воронежском заводе. Все шло по нарастающей. Новый аппарат обрел имя — Ми-34В, а его гражданская модификация шла под аббревиатурой Ми-34 ВАЗ. Такая двойственность тоже, думаю, понятна. С самого начала головным заказчиком значилось Минобороны, ВВС. Пошли оттуда приличные деньги, но только первые три года, затем этот ручеек финансирования беднел-беднел и фактически иссяк.
Тем не менее, духом не упали. В 1996 году по результатам работы комиссии Авиационного регистра Межгосударственного комитета мы получили сертификат разработчиков авиационных двигателей. В 1997 году началась сертификация непосредственно авиационных РПД как нашего конечного изделия. Члены макетной комиссии, — а там собраны ведущие специалисты страны, отлично представляющие ситуацию, коньюктуру и в России, и в мире, — признали, что мы опережаем своих основных конкурентов на 7-8 лет.
Ведется разработка и сертификация легкого вертолета КБ им. Миля с авиационным РПЦ с постановкой в серийное производство на Казанском вертолетном заводе. Результатом последних лет стала адаптация нашего РПЦ на 8-местном самолете-амфибии Бе-103 КБ им. Бериева в Таганроге, на 5-местном самолете ИЛ-103 КБ им. Илюшина на Луховицком авиазаводе, на 5-местном самолете F-115 и 8-местном экраноплане на Нижегородском заводе «Сокол». Прогнозируемый объем потребности в авиационных РГЩ составляет по России на ближайшие 7-8 лет 2-2,5 тысячи штук в год. Есть потребность в них и для маломерных судов.
Нашими планами предусматривается создание многотопливных двигателей, работающих не только на автомобильном бензине, но и на авиационном керосине и дизельном топливе.
Выход на рынок авиационной техники с перспективными двигателями сам по себе стимулирует развитие российской авиации (с хорошим двигателем полетят и ворота), позволяет в определенной мере контролировать это направление. Не говоря о том, что по своей специфике авиадвигатель — продукция не только наукоемкая, дорогая, но и «долгоживущая», позволяющая обеспечить занятость не одному поколению высококвалифицированных работников.
Разумно ли будет потерять столь дорого давшийся опыт?..
3. Новое о роторных двигателях
В. М. Нисковских предложил в вариант роторного двигателя. В нём роторы имеют лопасти и расположены соосно с цилиндрами. Удалось обойтись без деталей, совершающих возвратно-поступательное движение. Ролики с пазами под лопасти находятся в зубчатом зацеплении с валом, на котором установлены роторы.
Принцип действия роторного двигателя состоит в следующем. В нём имеются два цилиндра разного объёма с роторами, расположенными на общем валу. Если соединить полость нагнетания малого цилиндра с полостью расширения большого через теплообменник и нагреватель, а полость расширения малого цилиндра через теплообменник и холодильник с полостью нагнетания большого, то при нагревании рабочего тела (газа) роторы начнут вращаться, а рабочее тело будет непрерывно циркулировать, последовательно проходя через цилиндры, нагреватель, теплообменник и холодильник
Список литературы
1. Зинкевич В.Д. и др. Поршневые и шестеренные пневмодвигатели горношахтного оборудования. М.Недра. 1982 г
2. Ханин Н. С. и Чистозвонов С. Б., Автомобильные роторно-поршневые двигатели, М., 1964; Мотоцикл. Теория, конструкция, расчет, М., 1971.
www.ronl.ru
