Бесшатунные двигатели нового поколения

Бесшатунные двигатели нового поколения
(новейшая отечественная разработка)
История
развития
бесшатунных
поршневых
двигателей
предложенных
С.Баландиным, берет начало в тридцатых-сороковых годах прошлого века, когда в
конструкторском бюро, где работал автор, были разработаны и построены несколько
типов авиационных двигателей с необычным, отличным от кривошипно-шатунного,
силовым механизмом.
Рис. 1
Кинематическая схема обращенного эллипсографа
Рис. 2
Силы, действующие в силовом механизме при одном ползуне
Базой для начала проектирования двигателя послужила известная кинематическая
схема обращенного эллипсографа (рис.1), траектория движения точек которого
описывается уравнением эллипса:
Где r - радиус начальной окружности, а d - координата произвольной точки m.
Все точки, лежащие на прямой А В, описывают эллипсы, точка С - окружность (как
частный случай эллипса), точки же А и В, как лежащие на поверхности Д, совершают
возвратно-поступательное движение в пределах 4r. Дуга окружности Д без
скольжения обкатывается по дуге Е вдвое большего диаметра. Привязав к точкам,
лежащим произвольно на поверхности Д (например к точкам А и В), крейцкопфы со
штоками и поршнями, а к точке С - выходной вал, получаем бесшатунный механизм,
имеющий одну избыточную кинематическую связь. Т.е. для обеспечения
прямолинейности траекторий точек А и В, соединенных между собой и с точкой С
кривошипа ОС жестким звеном АСВ, достаточно иметь направляющие только у одной
точки А или В (рис.2). Но такая схема неприемлема по условиям распределения
действующих в механизме сил. Если установить направляющую только в точке А, то
по мере приближения угла φ к 90° и 270° составляющие, приложенные к точке А
силы P - боковая сила N= P·tg φ и направленная вдоль оси АС сила S=P/cos φ неограниченно возрастают, стремясь к бесконечности. Поэтому введение в
кинематическую схему второй направляющей отвечает условиям работоспособности
механизма.
Высказанное выше обоснование принадлежит самому С. Баландину, оно в конечном
итоге и определило всю эволюцию развития бесшатунных двигателей первого
поколения. Все построенные образцы (в том числе и автором) основывались на схеме
с одной избыточной кинематической связью.
Предложенный С.Баландиным силовой механизм бесшатунного двигателя казалось,
быстро потеснит двигатели классической компоновки, и машиностроительные
предприятия, используя наработки авиационной промышленности, смогут запустить
его в серийное производство без особых проблем. К тому времени авиация прочно
освоила газовые турбины, и поршневые двигатели ее перестали интересовать.
Вот тут и выяснилось, что для общего машиностроения слишом дорогой ценой
обеспечиваются те технологии, которые доступны авиационной промышленности.
Встал вопрос об изменении конструкции двигателя под существующие возможности
действующих предприятий. При кажущейся простоте механизм содержал
неотработанные кинематические связи, а в применении к тепловым машинам они
были слабо изучены и поэтому их возможности плохо прогнозировались. Всего одна
избыточная кинематическая связь в таком сложном механизме как ДВС ставила под
сомнение всю его дальнейшую работоспособность. Тем более не было понимания
того, как от этой связи избавиться, синхронизирующий механизм о котором идет
речь, являлся неотъемлемой частью самого двигателя. Сегодня, спустя шестьдесят лет
с момента появления первого бесшатунного двигателя можно уверенно сказать
(лучше поздно,чем никогда), что эта проблема полностью решена.
Рис. 3
Кинематическая схема бесшатунного двигателя С.Баландина с перекрещивающимися осями:
1,2,3,4 -поршни; 5,6 - штоковые подшипники; 7,8-консольный вал; 9,10,11,12 - шестерни
синхронизирующего механизма; 13-коленчатый вал; А,В,С,Д- подвижные опоры.
На рис.3 изображена типовая кинематическая схема бесшатунного двигателя
С.Баландина. Хорошо видно, что всего один планетарно вращающийся вал заменяет в
силовом механизме все шатуны. Вал установлен между двумя консольными
вращающимися опорами, которые в свою очередь соединены между собой
шестеренчатым механизмом. Это и есть универсальный механизм связи поршней,
предложенный С.Баландиным и обеспечивший в построенных образцах: малые
габариты и вес, высокую оборотность, рациональный двухсторонний рабочий процесс
в цилиндрах, эффективную систему охлаждения поршней и наконец, высокий
механический КПД, величина которого на некоторых режимах работы двигателя
достигала 94 % (в обычных ДВС около 85%).
С выходом в свет книги С.Баландина "Бесшатунные ДВС" 1968 и 1972 г. изданий
многочисленными коллективами инженеров и рядом заводов (таких как "Дагдизель",
СКБ "Серп и Молот" и т.д.) начали предприниматься попытки построить двигатель,
скопировав его в первоначальном, или даже в усовершенствованном вариантах.
Процесс проектирования и изготовления проводился, как правило, на основе
расчетов и методик, предложенных автором. Вопреки ожиданиям, у большинства
построенных образцов при первых оборотах вала происходило заклинивание
силового механизма в корпусе двигателя в результате задира поршней о зеркало
цилиндров. Те, кто сумел спроектировать и построить работоспособный двигатель,
обнаруживали в нем интенсивный износ и выкрашивание крейцкопфных
направляющих (питтинг). Все попытки бороться с этим явлением не приносили
успеха. Живучесть силового механизма определялась несколькими часами работы.
Постоянные неудачи сформировали в научной и конструкторской среде негативное
отношение к самой идее создания бесшатунного двигателя этого типа. Выяснилось,
что никто кроме самого С.Баландина так и не смог построить работоспособную
конструкцию. По признанию же самого автора, каждый четвертый двигатель,
вышедший в свое время из стен его КБ, выходил из строя из-за указанных выше
неполадок.
Оглядываясь на классический кривошипно-шатунный механизм обычного
(тронкового) двигателя, замечаем, что при всех своих недостатках он обладает
высокой надежностью. Его длительная работоспособность определяется тем, что
каждая, отдельно взятая деталь этого двигателя испытывает симметричное
нагружение. Этому способствует и жесткое крепление коленчатого вала в
подшипниковых опорах, стоящих по обе стороны от шатунов. Чего не скажешь о
двигателе С.Баландина (рис.3), в котором каждый поршень (1-4) через штоковую
(шатунную) шейку (5,6) опирается одной стороной на скользящий крейцкопф (А,В
или С,Д), а другой стороной на подверженный изгибу консольный вал (7,8).
Соответственно 50% нагрузки от газовых сил приходится на крейцкопфную опору
(под ней находится остов двигателя), а остальные 50%, воспринимаются "упругим
элементом" - какая уж тут надежность.
В сверхмощных двигателях С.Баландина эта проблема была частично решена путем
размещения концевых шеек планетарного вала внутри подшипников большого
диаметра, при этом окружные скорости сопрягаемых наружных поверхностей
подшипников увеличивались втрое.
Следующей нерешенной проблемой оставалась система подачи масла к трущимся
поверхностям подшипников бесшатунного двигателя. Так, если концевые
подшипники консольных опор А и Д работают в условиях гидродинамической
жидкостной смазки, то создать аналогичные условий работы крейцкопфам В и С
которые за один оборот вала дважды останавливаются невозможно, такие
подшипники могут работать только как гидростатические опоры т.е. на них
распространяется совсем другая теория смазки, она не создает гидродинамического
масляного клина между сопрягаемыми плоскостями и ей необходимо отслеживать
непрерывно изменяются условия поддержания крейцкопфа над опорными
поверхностями. Сказанное лишь разъясняет, что для смазки одной детали- вала,
используются принципиально разные системы смазки. Что не есть хорошо. И если это
препятствие и не удастся обойти, то необходимо подшипники, принадлежащие
общему валу и выполняющие одни и те же функции сделать хотя бы однотипными.
Основная же причина того, что применение рассматриваемой кинематической схемы
не получило практической реализации, состоит в том, что она сложнее обычного
кривошипно-шатунного механизма. В силовом механизме, помимо основных
элементов, используются дополнительные синхронизирующие валы, связанные с
основным валом шестернями. Большое количество сопрягаемых элементов требует
высокого технологического уровня их изготовления. Соединенные последовательно,
шестерни синхронизирующего механизма (9-12) образуют длинную размерную цепь.
Значение ее суммарного допуска должно быть меньше величины диаметрального
зазораодного из крайних подшипников планетарного вала, иначе невозможно
обеспечить его правой и левой половине синхронного вращения. Уложиться же в этот
допуск технологически сложно (об этом и шла речь в начале статьи).
Следующий раздел посвящен силовым механизмам нового поколения, где на смену
«синхронизирующему
механизму» приходят «синхронизирующие шейки»,
позволяющие в бесшатунном двигателе отказаться от избыточной кинематической
связи, поставившей фактически крест на этом направлении.
Рис. 4
Новая кинематическая схема двигателя с перекрещивающимися осями и характер
воздействия газовых сил на опорные крейцкопфы:
Р - сила давления газов; N - боковая сила; S - сила направленная вдоль оси АСВ; 1,2,3,4 поршень; 5,6 - рабочий крейцкопф; 7,8 - синхронизирующий крейцкопф; I, II синхронизирующая шейка; α - расстояние между центрами соседних шеек коленчатого вала;
А,В,А',В'- опоры.
Как видно из рис. 4 в схеме уже отсутствует ставший привычным механизм
синхронизации, вместо него у планетарно вращающегося коленчатого вала
появились собственные планетарные опоры способные выполнять те же функции, что
и обычные подшипники для вращающихся валов. Расположенные по краям вала они
способны обеспечить всем его точкам синхронное орбитальное вращение по заданной
траектории. Для этого к рассмотренному планетарному валу конструкции
С.Баландина надо добавить две дополнительные шейки (I и II, см. рис.4) с
одновременным отказом от избыточной кинематической связи в точке С (точки,
ранее жестко связанной с выходным валом) и исключением, а не выбрасыванием, ее
из силовой схемы бесшатунного механизма. Под дополнительные шейки вала
устанавливаются две новые, зеркально расположенные к А и В крейцкопфные
направляющие А' и В'. Теперь каждый рабочий поршень получает по две идентичные
подвижные опоры, расположенные от него на равном расстоянии справа и слева.
Одна из опор (А, В) может нести на себе смежный рабочий поршень, другая (А', В')
предотвращает перекосы планетарного вала и обеспечивает его синхронизацию.
Такая компоновка позволяет отказаться от механизма синхронизации, состоящего из
соединительного вала и набора шестерен т. к. полная синхронизация вала
обеспечивается его собственной конструкцией.
Во вновь скомпонованном бесшатунном двигателе планетарно вращающийся вал,
объединяющий поршни, как и прежде, содержит рабочие шейки, связанные со
штоками поршней, которые всегда движутся прямолинейно. На теле такого вала
остаются оси, перемещающиеся по круговой орбите (в первом приближении это
окружности) поэтому их легче всего связать с валом отбора мощности, например
поводковым механизмом. Если к такому валу, содержащему рабочие шейки и шейки
отбора мощности добавить дополнительно две шейки (I, II) назовем их
"синхронизирующими", то каждая рабочая шейка в паре с синхронизирующей
образует одну планетарную опору, а две пары опор - полноопорный вал (9) с двумя
степенями свободы, вращением вокруг собственной оси и, одновременно,
планетарным вращением. Тогда характер нагружения вала становится всегда
симметричным, а сам коленчатый вал получает возможность самоустанавливаться в
опорах. При этом каждая планетарная опора выполнена с возможностью придания
смежным опорным шейкам возвратно-поступательного движения в пересекающихся
направлениях. Это и обеспечивает устойчивость планетарного вала в любой точке его
орбитального
обращения.
В качестве примера на рис.4 также изображена схема силового воздействия газов (Р)
на поршни двигателя и характер нагружения подшипниковых опор. Поршни со
штоками 1 и 3 в качестве опоры используют крейцкопф 6 от поршней 2 и 4, и
синхронизирующий крейцкопф 7. Поршни 2 и 4 для опоры используют крейцкопфы
5 и 8, из них крейцкопф 8 является синхронизирующим. В результате, в момент
воспламенения горючей смеси в любом из четырех цилиндров двигателя
равноотстоящие от рабочего поршня крейцкопфы 6 и 7 или 5 и 8 нагружаются
равными долями. При такой компоновке концевые шейки планетарного вала
полностью выводятся из зоны действия газовых сил и передают валу отбора
мощности, не входящему в силовую схему механизма, только крутящий момент.
Приведем еще несколько примеров, поясняющих принципы симметрии,
приложении к рассматриваемым бесшатунным силовым механизмам.
в
Рис. 5
Схема оппозитного бесшатунного двигателя:
1,2,3,4- поршни; 5- коленчатый вал; 6,7- противовесы; 8,9- вал(ы) отбора мощности; 10,11рабочие крейцкопфы; 12,13,14- синхронизирующие крейцкопфы; I, II, III - синхронизирующие
шейки.
Лучший образец - кинематическая схема оппозитного бесшатунного двигателя
(рис.5). В отличие от крестообразно скомпонованных четырехцилиндровых
двигателей (рис.4) чередование между рабочими тактами здесь происходит
равномерно, через 180° по углу поворота коленчатого вала. Конструкция силового
механизма включает:четыре рабочих поршня со штоками (1-4), два рабочих
крейцкопфа (10,11), три синхронизирующих крейцкопфа (12.13,14). Названные
элементы объединены общим коленчатым валом (5) и располагаются на его пяти
шейках. Шестая и седьмая шейки вала (5) предназначены для установки
противовесов (6,7) и передачи крутящего момента валу отбора мощности (8 или 9).
Из рис.5 видно, что у каждого рабочего поршня, по обе стороны и на равных
расстояниях, располагаются синхронизирующие крейцкопфы (12,13,14). В
оппозитном двигателе они выполняют следующие функции:



Совместно с рабочими крейцкопфами обеспечивают синхронизацию
коленчатого вала.
Воспринимают на себя основную нагрузку от газовых сил, отделяя крейцкопфы
рабочих цилиндров от "ударного" нагружения в момент воспламенения
горючих газов в соседних цилиндрах.
Выполняют функции противовесов для уравновешивания всех масс.
Рассмотренный механизм обладает широкими кинематическими возможностями, он
прекрасно уравновешивается. И это единственный тип бесшатунного двигателя, в
котором ползуны синхронизирующих крейцкопфов могут быть заменены
альтернативными им шатунными группами (рис.6).
Рис. 6
Рычажно-кулисная схема оппозитного бесшатунного двигателя:
1,2,3,4-поршни; 5,6- рабочие крейцкопфы; 7,8,9- шатуны; 10- коленчатый вал; I, II, III синхронизирующие шейки.
В этом случае достаточным условием для обеспечения синхронизации вала (10) будет
полное совмещение дублирующих друг друга кинематических пар при их
проецировании на плоскость ХОУ. Здесь, как и в предыдущем примере, рабочие
крейцкопфы (5,6), принадлежащие поршням (1-4), движутся прямолинейно. Шатуны
же (7,8,9) синхронизирующих шеек (I, II, III) имеют общую ось качания. Доводочные
работы по реализации разобранной кинематической схемы могут быть существенно
сокращены, в основном за счет максимальной ее унификации с элементной базой
тронковых ДВС. В общем же случае, все кинематические схемы подчиняются одному
правилу: к любому, наперед заданному количеству рабочих шеек надо добавлять по
концам вала, как минимум, две синхронизирующие. В этом правиле есть одно
исключение - кинематическая схема, в которой все рабочие шейки одновременно
являются и синхронизирующими (рис.7).
Рис. 7
Схема бесшатунного двигателя со спаренными крейцкопфами:
1,2,3,4- поршни; 5- коленчатый вал; 6,7- противовесы; 8,9- вал(ы) отбора мощности; 10,11,12рабочие синхронизирующие крейцкопфы, 13,14- спарники.
Коленчатый вал (10) составляется всего из пяти шеек. Две крайние шейки вала
предназначены для передачи крутящего момента и установки на них противовесов
(6,7). Остальные шейки заполнены крейцкопфами (10,11,12). Крейцкопфы 11 и 12
замкнуты между собой спарниками (13,14), на них устанавливаются поршни 1 и 2.
Центральная шейка вала с крейцкопфом 10 связана штоками с другой парой поршней
(3,4). Траектории комплектов поршней 1,2 и 3,4 пересекаются. На период рабочего
хода поршень 3 (или 4) в связке с крейцкопфом 10 опирается на крейцкопфы 11 и 12
которые на этот момент выполняют функции синхронизирующих. При совершении
рабочего хода 1 (или 2) поршнем совместно с теперь уже рабочими крейцкопфами 11
и 12 опорный крейцкопф 10 становится синхронизирующим. И так по кругу до
бесконечности. Плоскость действия газовых сил в таком механизме будет всегда
замыкаться тремя центральными шейками вала.
Такое конструктивное решение позволяет располагать четыре рабочих цилиндра в
одной плоскости при минимальной длине и максимальной жесткости коленчатого
вала. Общее количество пар трения в двигателе по сравнению с тронковым ДВС
снижается в два - три раза !!! Здесь, как и в предыдущих переработанных схемах,
коленчатый вал отвечает всем необходимым условиям симметричного нагружения
(подробнее см. в отраслевом журнале "Двигателестроение" №3 за 1998г. и №1 за
2000г.).
Изложенное описание претендует лишь на звание краткого путеводителя тому, кто
интересуется бесшатунными двигателями, и хотел бы попробовать свои силы в этом
направлении. И хотя в нем отсутствуют "различные подробности", без которых
построить работающую машину практически невозможно, приведенный выше
анализ поможет избежать явных ошибок, потерянного времени и средств.
И в заключении перечислим основные преимущества, которыми располагают
бесшатунные ДВС:








Компоновка бесшатунного двигателя позволяет значительно сократить объем
моторного отсека за счет рационального расположения узлов и деталей
двигателя.
Взаимное сочетание газовых сил и сил инерции приводит к значительному
уменьшению результирующих сил, нагружающих кинематические звенья, что
позволяет увеличить механический КПД двигателя.
Двигатель частично или полностью освобождается от вращающегося маховика,
т.к. движущиеся массы поршней с крейцкопфами представляют собой единый
поступательно движущийся маховик.
В бесшатунном двигателе, чем больше масса поршней со штоками и
крейцкопфами, тем и чем выше обороты двигателя (в известных пределах), тем
меньше нагрузка на подшипники, в тронковом двигателе - наоборот.
Количество функций, возложенных на рабочие поршни уменьшается, (поршни
перестают быть парами трения), соответственно надежность их работы
увеличивается.
Допускается возможность организации рабочего процесса в двигателе по обе
стороны рабочего поршня или использования подпоршневого пространства
для компрессорного наддува.
Появляется возможность улучшения системы охлаждения поршней прокачиванием масла через поршневые штоки и поршни для их эффективного
охлаждения.
Становится
возможным
для
прямолинейно
движущихся
поршней
применитьлабиринтный вид уплотнений с полным или частичным отказом от
поршневых колец.
Роторно-волновой двигатель
Сегодня уже мало кого устраивает, что 60-70 % теплоты вырабатываемой
двигателями внутреннего сгорания просто выбрасывается в атмосферу. Когда же
энергетика с ее ограниченными сырьевыми ресурсами не сможет мириться и с 2030 % потерями тепла в рамках все той же классической термодинамики, то без
сомнения будут востребованы только те технические решения, которые смогут
преодолеть основные недостатки существующих тепловых машин, позаимствовав
от них только плюсы. Так от газовой турбины будет взята неограниченная
мощность, малые габариты и вес; от дизеля - высокая экономичность; от его
бензинового конкурента - приемистость и максимально эффективное
использование рабочего объема двигателя; от фактически забытой паровой
машины и ее «родственника» в лице современного стирлинга - бесшумность,
многотопливность и высокий крутящий момент; от широко разрекламированного
в
недавнем
прошлом
двигателя
Ф.Ванкеля
отсутствие
органов
газораспределения; от нашумевшего бесшатунного двигателя С. Баландина. и
совсем уж неизвестной конструкции Е. Льва - высокий механический КПД и
способность двигателя выполнять функции редуктора; а от мало кому известного
двигателя В.Кушуля - низкую токсичность выхлопа. В нем удастся полностью или
частично отказаться от: охлаждения и смазки, убрать глушитель шума, маховик, и
это при количестве деталей не большем, чем в двухтактном мото - велодвигателе.
На сегодняшнем этапе развития техники эта задача может быть решена только с
переходом к качественно новым конструктивным принципам и решениям. Таким
условиям полностью отвечает концептуальная идея «Роторно-волнового
двигателя» (пат. России № 2155272) - объемной прямоточной машины,
воспроизводящей последовательность работы газотурбинного двигателя. В нем
совершенно устранено возвратно-поступательное движение рабочих органов,
ротор полностью уравновешен и вращается с постоянной угловой скоростью.
Рабочее тело, как и в турбине, движется вдоль оси двигателя, траектория
движения - винтовая линия. В конструкции отсутствует вредное пространство,
ограничивающее рост степени сжатия рабочего тела. Из-за отсутствия
уплотнительных элементов и, соответственно трения в проточной части,
снимаются ограничения по ресурсу и числам оборотов двигателя. Рабочий процесс
допускает, произвольно изменять степень сжатия и расширения рабочего тела; без
дополнительных регулировок и остановки двигателя осуществлять переход на
любой сорт топлива.
Оригинальная кинематическая схема и прогрессивный рабочий процесс
роторного двигателя позволяет собрать в одной конструкции только
положительные стороны всех типов ДВС. В основе же кинематики роторноволнового двигателя (РВД) лежит сферический механизм, где оси его основных
деталей пересекаются в одном месте - центре воображаемой сферы.
Установленный с минимальным зазором конический винтовой ротор совмещает
вращение с противоположным ему планетарным обкатыванием по внутренним
огибающим корпуса. Накладывая два эти вида движения на любые сечения
ротора (кроме центра - точки его перегиба), можно увидеть, что они совершают в
определенной последовательности равные угловые колебания в пазах корпуса,
образуя волны, которые последовательно перекатываются по ходу винтовых
поверхностей корпуса.
Аналогичный процесс можно видеть на море, наблюдая в ветреную погоду за
перемещением волн в «стоячей воде».
В компрессорном отсеке формирование и движение волн начинается от
периферии по направлению к центру, а в расширительном отсеке - наоборот - от
центра к периферии.
Рис. 1
1- Ротор; 2- Корпус; 3- Вал отбора мощности; 4- Шарнир равных угловых скоростей; 5Эксцентрик; 6- Блок шестерен. А- впускное окно, Б- выпускное окно, В- компрессорный
отсек, Г- камера сгорания, Д- расширительный отсек, φ- угол наклона ротора.
Ротор (1) и вал отбора мощности (3) соединяются между собой в центре двигателя
шарниром Гука (4), который можно назвать шарниром равных угловых скоростей
(ШРУСом). Необходимое же ротору «дополнительное» обкатывание по
внутренним огибающим корпуса задается вспомогательным устройством - так
называемым «генератором волн». Его основной элемент - вращающийся на
основном валу эксцентрик (5), с приводом через блок шестерен (6) все от того же
вала. Эксцентрик наклоняя ротор от 3 до 6 градусов обеспечивает угловое качание
сечениям ротора в пределах от 12 до 24 градусов (подробнее см. в отраслевом
журнале «Двигателестроение» 2 и 3 № за 2001 г.). В такой комплектации
расчетный механический КПД двигателя составит невиданную цифру - 97 %.
С началом вращения, винтовые поверхности ротора начинают открывать
внутренние полости винтовых каналов компрессорного отсека, засасывая и них
воздух двумя потоками, смещенными относительно друг друга на 180 градусов. За
один оборот ротора в оба канала компрессорного отсека засасываются и
отсекаются от впускного тракта по две порции воздуха. При дальнейшем повороте,
каждая порция воздуха начнет самостоятельно перемещаться к центру двигателя,
непрерывно сокращаясь в объеме за счет уменьшения шага и амплитуды самого
витка. Процесс сжатия будет продолжаться до тех пор, пока все уменьшающийся
объем со сжатым воздухом не подойдет к камере сгорания. В этот момент процесс
внутреннего сжатия воздуха в компрессорном отсеке закончится, наступает
следующий этап - выталкивание сжатого воздуха в камеру сгорания тыльной
стороной витка, ближе других находящегося к центру ротора. Этот процесс
сопровождается непрерывным распыливанием топлива в воздушном потоке с
последующим его сгоранием в общей камере, куда и выталкиваются все порции
воздуха. Для первоначального поджигания топливовоздушной смеси в камере
устанавливается запальная свеча. После запуска дальнейшее поджигание смеси
должно поддерживаться газами, оставшимися от предыдущих циклов в общей
камере сгорания. Последние, с высокой температурой и давлением покидая
камеру сгорания, заполняют на роторе винтовые каналы расширительных
отсеков, расположенных по другую сторону от центра ротора (точки, где шаг и
амплитуда угловых колебаний равна нулю). С поворотом последнего происходит
увеличение объемов расширительных отсеков за счет чего и осуществляется
рабочий ход. На момент максимального расширения, кромки наружных витков
ротора открываются и газы сначала свободно, а затем принудительно
выдавливаются в выпускной коллектор. Интервал выпуска отработанных газов из
очередной камеры расширения составит 180 градусов. Часть полученной в цикле
мощности возвращается телом ротора в компрессорный отсек.
Рис. 2
Пятигипотрохоидный РВД с внешними огибающими и с отбором мощности через шарнир
равных угловых скоростей (ШРУС). Обладает свойствами редуктора - четырем
обкатываниям ротора, с засасыванием в двигатель 20 объемов воздуха, соответствует
один оборот выходного вала. Заменяет собой 80-ти цилиндровый поршневой ДВС.
Рис. 3
Трехгипотрохоидный РВД с внешними огибающими и с отбором мощности через вал с
косой шейкой. Выходной вал и ротор вращаются в разные стороны в пропорции 1:0,5
Заменяет собой 12-ти цилиндровый поршневой ДВС.
Описанный рабочий процесс соответствует самой простой конструкции, в которой
двухзаходный корпус работает в паре с однозаходным ротором. Рост же числа
заходов неизбежно приводит к усложнению формы корпуса и ротора, которые
между собой будут соотноситься как целые порядковые числа: 2\1; 3\2; 4\3; 5\4 и
т. д. Поперечные сечения тел ротора и корпуса во всех случаях будут иметь
гипотрохоидные формы с внешними огибающими: например, как это показано на
Рис. 2 и 3. На рис. 3 изображен один из альтернативных вариантов отбора
мощности от ротора - валом с косой шейкой.
Рассмотренный тип двигателя, в основе которого лежит внутреннее винтовое
зацепление ротора с корпусом, образует новое семейство прямоточных
коловратных машин: в нем, с увеличением количества заходов ротора и корпуса,
угловая скорость ротора и соответственно вала отбора мощности оборудованного
ШРУСом будет падать, с одновременным ростом величины крутящего момента.
Эта замечательная особенность кинематической схемы РВД позволит
многозаходному ротору по совместительству выполнять еще и функцию
понижающего редуктора. Ведь не секрет, что рост мощности двигателя всегда идет
по пути увеличения рабочих оборотов (ему больше некуда идти), а потребители
энергии, будь то винт судна, или автомобильное колесо, остаются практически
неизменными. Приходится ставить дополнительные редукторы для снижения
оборотов. А здесь, двигатель сам себе и редуктор.
Функция редуктора в многозаходных конструкциях (Рис.2) возложена на
механизм синхронизации, состоящий из неподвижного венца с внутренним
зацеплением (1) и меньшей по диаметру планетарной шестерни с внешним
зацеплением (2) жестко соединенной с ротором. Количество зубьев венца к
шестерне всегда должно соответствовать выбранной пропорции корпуса к ротору.
Иначе нельзя, только этим достигается синхронизация и требуемое трохоидное
движение ротора. Каждому новому обкатыванию шестерни ротора будет
соответствовать ее поворот на фиксированный вместе с ротором угол. Для
двухзаходного ротора, работающего в паре с трехзаходным корпусом, на одно
обкатывание шестерни приходится поворот ротора в корпусе на 50 %, в
трехзаходном варианте ротора - на 33 %, в четырехзаходном - на 25 % и т.д.
Если изначально однозаходный ротор, работающий в паре с двухзаходным
корпусом эквивалентен восьмицилиндровому поршневому ДВС, то уже
двухзаходный ротор в паре с трехзаходным корпусом эквивалентны 24-х
цилиндровому ДВС. Дальше - больше. Трехзаходный ротор соответствует 48
цилиндровому поршневому ДВС, четырехзаходный - 80 цилиндровому ДВС и т.д.
Для последнего примера, у которого будет несколько меньший механический КПД
(94 -95 %), расчетный крутящий момент на выходном валу увеличится от 16 до 21
раза в сравнении с поршневым аналогом, и это при равных с ним оборотах и
литраже двигателя. Что само по себе, например, для автомобильного варианта уже
не требует установки за двигателем коробки передач, которая повышает крутящий
момент двигателя всего в 4 - 10 раз.
Здесь ротор, производя полный оборот, вынужден при этом совершать четыре
полных обкатывания по внутренним огибающим корпуса . Соответственно, при
2500 об/мин ротора, каждый из пяти винтовых каналов корпуса должен всосать
по 10000 объемов воздуха, что в сумме составит 50000 объемов в минуту. Для
сравнения, у аналогичного одноцилиндрового четырехтактного ДВС при равных
оборотах, количество тактов всасывания наполнит 625 рабочих объемов двигателя
(каждый четвертый такт - всасывание). Вот откуда она, восьмидесятикратная
разница. Учитывая низкий коэффициент наполнения безнаддувного поршневого
двигателя, равный 85% против 100-105% в РВД, фактическая разница увеличится
до 94. Мы не учли еще разницу в механическом КПД поршневого ДВС и РВД
соответственно 85% против 94%. Соотнесем ее на протечки рабочего тела через
«неплотности» ротора.
Осталось упомянуть и о предельно допустимых оборотах РВД, сравнив их с
серийными двигателями. Современный поршневой ДВС применяет 4500 - 6000
об/мин; аналогичная по мощности газовая турбина свободно раскручивается до
50000 - 70000 об/мин; РВД должен занять промежуточное положение - его удел
от 2500 до 30000 об/мин (все зависит от количества заходов ротора).
В рабочих отсеках РВД одновременно может сжиматься и расширяться от
нескольких единиц до несколько десятков объемов воздуха. А то место, где ротор,
едва не касаясь своей поверхностью, приближается на минимальное расстояние к
корпусу, как раз и является подвижной разделительной линией между
последовательно движущимися камерами (на Рис.1 сечения 1-1 и 1Х-1Х). За
каждый оборот ротора степень сжатия (расширения) изменяется в 4-5 раз.
Теоретическая же степень сжатия (расширения) в одном агрегате может достигать
ста единиц (все зависит от количества витков), и это при полном отказе от
уплотнительных элементов, роль которых выполняет тело ротора.
Ротор, освобождаясь от механического трения «завинчивает» порции воздуха в
камеру сгорания нигде не касаясь стенок корпуса, поэтому так же отпадает
необходимость в смазке рабочих отсеков двигателя. Трение остается лишь в
подшипниках качения, на которые опирается ротор за пределами горячих зон и в
ШРУСе. Последний же конструктивно очень просто позволяет передавать весь
поток мощности от ротора выходному валу фактически без потерь. Достаточно
вспомнить, что механический КПД широко используемых в технике ШРУСов
очень высок и колеблется при малых углах качания от 99 до 99,5 %. Кроме этого,
шарнирное соединение автоматически точно центрирует ротор в любом его
положении, а сам шарнир, расположенный в центре двигателя, надежно защищен
от теплового воздействия камеры сгорания необходимой толщиной сферического
теплового экрана.
Как видим, в РВД ничто не препятствует применению очень высоких оборотов:
ротор
вращается
с
постоянной
угловой
скоростью,
он
прекрасно
уравновешивается, вместо клапанов, или даже окон, в конструкции используются
каналы неограниченной пропускной способности для непрерывного поступления
воздуха в рабочие отсеки двигателя. Отсутствие трения также снимает
ограничения по износу деталей и ресурсу двигателя в целом. В двигателе будут
изнашиваться только подшипники, а для них ресурс в 30 - 40 тыс. рабочих часов
не предел. Заметим кстати, что хороший автомобильный двигатель в наше время
имеет моторесурс 5000- 7000 часов до первого ремонта. Автомобильные РВД, при
неограниченной мощности окажутся долговечнее, чем рама автомобиля (самое
долговечное, что есть в нем).
Рабочий процесс для камеры постоянного горения, позволяет, не останавливая
двигатель, подавать в него любой вид жидкого, газообразного или даже твердого
распыленного топлива, полностью стирая грани между турбинами, дизельными и
карбюраторными двигателями.
В кинематических звеньях механизмов поршневых и роторных ДВС присутствуют
так называемые «мертвые точки», для их преодоления за двигателем
устанавливается значительный по массе маховик. В РВД же - газовые силы,
действующие на ротор, направлены всегда по касательной к его поверхности, они
постоянны и непрерывны, что делает совершенно не нужной установку маховика,
а в некоторых случаях и противовесов, применяемых для полного
уравновешивания двигателя.
Компоновочная схема компрессорного и расширительного отсеков РВД такова,
что допускает также, без остановки двигателя, в широких пределах изменять
степень сжатия и расширения рабочего тела, в том числе до полного расширения
отработанных газов, при котором отпадает необходимость в глушителе шума.
Исчезает не только значительное сопротивление, которое создает глушитель,
отнимая у двигателя до 10 % его мощности, но и в процессе продолженного
расширения выделится еще 10 -15 % дополнительной энергии.
Разумеется, прирост мощности в 20-25% очень привлекательны и для
разработчиков серийных ДВС. На практике же продолженное расширение не
удается применять из-за нецелесообразного увеличения весогабаритных
показателей силовых установок с одновременным ростом в них величины
механических потерь.
Ну и, наконец, главный резерв повышения КПД - применение в конструкции РВД
керамических материалов - жаропрочных теплоизолированных покрытий,
позволяющих отказаться от системы охлаждения и заменить собой сложнейшие
турбокомпаундные двигатели. С использованием только таких свойств керамики
для РВД, которыми она всегда обладала - способностью работать на сжатие,
умеренное растяжение при стабильной температуре и давлении во всех сечениях
корпуса и ротора.
В заключение приведем еще несколько цифр. Расчетный индикаторный КПД
простого цикла РВД в адиабатном исполнении и весьма умеренной степени
сжатия равной 15 со степенью расширения 36 составит 51 %. Соответственно
расход топлива в этом случае может составить 171 г/кВт, при удельном весе
силовой установки 0,15 - 0,25 кг/кВт. Для сравнения - в дизельном двигателе,
использующим такую степень сжатия, расход топлива составляет 224 г/кВт при
удельном весе 3,5 - 15 кг/кВт. За счет дальнейшего увеличения степени сжатия в
РВД и использования в нем системы регенерации отработанных газов (для
возврата теряемой с отработанными газами теплоты), индикаторный КПД
теплового цикла можно еще значительно увеличить.
Там, где требуется получить максимальный расход воздуха и огромные мощности,
например, для авиации и судовых установок - выгоднее использовать
многозаходные кинематические схемы, ограниченные по росту степени сжатия.
Если главным фактором выступает экономичность, перспективней использовать
двух - трехзаходные схемы роторов, как наиболее простые и допускающие
наибольшую степень сжатия и расширения рабочего тела.
Роторно-поршн ой и т л внутреннего сгорания (РПД, и т л В нк ля),
конструкция которого разработана в 1957 году инженером компании NSU Вальтером
Фройде, ему же принадлежала идея этой конструкции. Двигатель разрабатывался в
соавторстве с Феликсом Ванкелем, работавшим над другой конструкцией роторнопоршневого двигателя.[1]
Особенность двигателя — применение трѐхгранного ротора (поршня), имеющего вид
треугольника Рѐло, вращающегося внутри цилиндра специального профиля, поверхность
которого выполнена по эпитрохоиде (возможны и другие формы ротора и цилиндра[2]).
Содержание
[убрать]








1 Конструкция
2 Преимущества и недостатки
3 Применение
o 3.1 Современное состояние
4 Авиационные двигатели
5 См. также
6 Примечания
7 Литература
8 Ссылки
Конструкция[править | править исходный текст]
Установленный на валу ротор жѐстко соединѐн с зубчатым колесом, которое входит в
зацепление с неподвижной шестернѐй — статором. Диаметр ротора намного превышает
диаметр статора, несмотря на это ротор с зубчатым колесом обкатывается вокруг
шестерни. Каждая из вершин трѐхгранного ротора совершает движение по
эпитрохоидальной поверхности цилиндра и отсекают переменные объѐмы камер в
цилиндре с помощью трѐх клапанов.
Цикл двигателя Ванкеля: впуск (голубой), сжатие (зелёный), рабочий ход (красный), выпуск
(жёлтый)
Роторно-поршневой двигатель
Такая конструкция позволяет осуществить любой 4-тактный цикл Дизеля, Стирлинга или
Отто без применения специального механизма газораспределения. Герметизация камер
обеспечивается радиальными и торцевыми уплотнительными пластинами, прижимаемыми
к цилиндру центробежными силами, давлением газа и ленточными пружинами.
Отсутствие механизма газораспределения делает двигатель значительно проще
четырехтактного поршневого (экономия составляет около тысячи деталей), а отсутствие
сопряжения (картерное пространство, коленвал и шатуны) между отдельными рабочими
камерами обеспечивают необычайную компактность и высокую удельную мощность. За
один оборот эксцентрикового вала двигатель выполняет один рабочий цикл, что
эквивалентно работе двухцилиндрового поршневого двигателя. За один оборот ротора
эксцентриковый вал выполняет 3 оборота и 3 полных рабочих хода, что приводит к
ошибочным сравнениям роторного двигателя с шестицилиндровым поршневым
двигателем.
Смесеобразование, зажигание, смазка, охлаждение, запуск принципиально такие же, как и
у обычного поршневого двигателя внутреннего сгорания.
Практическое применение получили двигатели с трѐхгранными роторами, с отношением
радиусов шестерни и зубчатого колеса: R:r = 2:3, которые устанавливают на автомобилях,
лодках и т. п.
Автомобили с РПД потребляют от 7 до 20 литров топлива на 100 км, в зависимости от
режима движения, масла — от 0,4 л до 1 л на 1000 км.
Преимущества и недостатки[править | править исходный текст]
Пр имущ ст

перед обычными бензиновыми двигателями
низкий уровень вибраций. Роторно-поршневой двигатель полностью механически
уравновешен, что позволяет повысить комфортность лёгких транспортных средств типа
микроавтомобилей, мотокаров и юникаров;


главным преимуществом роторно-поршневого двигателя являются отличные
динамические характеристики: на низкой передаче возможно без излишней нагрузки на
двигатель разогнать машину выше 100 км/ч на более высоких оборотах двигателя (8000
об/мин и более), чем в случае конструкции обычного поршневого двигателя внутреннего
сгорания.
Высокая удельная мощность(л.с./кг), причины:
1. Масса движущихся частей в РПД гораздо меньше, чем в аналогичных по мощности
«нормальных» поршневых двигателях, так как в его конструкции отсутствуют
коленчатый вал и шатуны.
2. К тому же однороторный двигатель выдаёт мощность в течение трёх четвертей
каждого оборота выходного вала. В отличие от «нормального» четырёхтактного
поршневого двигателя, который выдаёт мощность только в течение одной
четверти каждого оборота выходного вала (современный серийный РПД с
объёмом рабочей камеры 1300 см³ имеет мощность 220 л.с., а с
турбокомпрессором — 350 л.с.).


меньшие в 1,5-2 раза габаритные размеры.
меньшее на порядок (два-три десятка вместо нескольких сотен) число деталей
За счѐт отсутствия преобразования возвратно-поступательного движения во
вращательное, двигатель Ванкеля способен выдерживать гораздо большие обороты, и с
меньшими вибрациями, по сравнению с традиционными двигателями. Роторнопоршневые двигатели обладают более высокой мощностью при небольшом объѐме
камеры сгорания, сама же конструкция двигателя сравнительно мала и содержит меньше
деталей. Небольшие размеры улучшают управляемость, облегчают оптимальное
расположение трансмиссии (развесовка) и позволяют сделать автомобиль более
просторным для водителя и пассажиров.
Н ост тки:

Соединение ротора с выходным валом через эксцентриковый
механизм, являясь характерной особенностью РПД Ванкеля, вызывает
давление между трущимися поверхностями, что в сочетании с высокой
температурой приводит к дополнительному износу и нагреву
двигателя.
В связи с этим возникает повышенное требование к периодической
замене масла. При правильной эксплуатации периодически
производится капитальный ремонт, включающий в себя замену
уплотнителей. Ресурс при правильной эксплуатации достаточно велик,
но не заменѐнное вовремя масло неизбежно приводит к необратимым
последствиям, и двигатель выходит из строя.

Наиболее важной проблемой считается состояние уплотнителей.
Площадь пятна контакта очень невелика, а перепад давления очень
высокий. Следствием износа уплотнителей являются высокие утечки
между камерами и, как следствие, падение КПД и токсичность
выхлопа.
Проблема быстрого износа уплотнителей на высокой скорости
вращения вала была решена применением высоколегированной стали.



Другой особенностью двигателей Ванкеля является его склонность к
перегреву. Камера сгорания имеет линзовидную форму, то есть при
маленьком объѐме у неѐ относительно большая площадь. При
температуре горения рабочей смеси основные потери энергии идут
через излучение. Интенсивность излучения пропорциональна
четвѐртой степени температуры, таким образом идеальная форма
камеры сгорания — сферическая. Лучистая энергия не только
бесполезно покидает камеру сгорания, но и приводит к перегреву
рабочего цилиндра. Эти потери не только снижают эффективность
преобразования химической энергии в механическую, но и вызывают
проблемы с воспламенением рабочей смеси, поэтому в конструкции
двигателя часто предусматривают 2 свечи.
Меньшая экономичность на низких оборотах по сравнению с
обычными ДВС. Устраняемо отключением работы каждого n поршня,
что так же влечѐт снижение температурной нагрузки.
Высокие требования к геометрической точности изготовления деталей
двигателя делают его сложным в производстве — требуется
применение высокотехнологичного и высокоточного оборудования:
станков, способных перемещать инструмент по сложной траектории
эпитрохоидальной поверхности камеры объѐмного вытеснения.
История Д и т ля В нк ля:
Первый работающий роторный двигатель был представлен в 1957 году на конференции
Общества германских инженеров (VDI) Феликсом Ванкелем и Вальтером Фройде.
Ванкель за свою жизнь перепробовал массу профессий: от ученика наборщика в
издательстве научной литературы до младшего продавца, - но так и не удосужился
получить высшее образование. В конце концов он остановился на изобретении
механических устройств. Изготовление роторных насосов и компрессоров перемежалось с
тюремными отсидками: сначала за критику финансовых злоупотреблений нацистской
региональной верхушки, а потом за сотрудничество с теми же нацистами (в годы Второй
мировой войны Ванкель успешно решал вопросы уплотнителей для немецких торпед и
авиадвигателей). Выйдя на свободу в 1946 году, изобретатель восстановил свою
лабораторию в Линдау, на берегу Боденского озера (ее уничтожили в 1945 году
французкие войска), и возобновил работы по двигателю. Еще через пять лет Ванкелю
удалось заинтересовать своим проектом немецкую компанию NSU. С каждым годом ее
двигатели работали все дольше и дольше: если в 1957 году один из прототипов наработал
2 часа и развил мощность в 21 л.с., то через год - 100 часов при мощности 29 л.с. Видимо
этих параметров оказалось достаточно, чтобы в мире началась "ванкелемания" - лицензии
на двигатель сначала приобретает сначала корпорация Curtiss-Wright, годом спустя
Daimler-Benz, MAN, Friedrich Krupp и Mazda.
К началу 70-х купили
лицензии практически
все моторостроительные
и автомобильные
гиганты мира, включая
Rolls-Royce, Porsche,
Ford, GM и многие
японские компании.
Очевидные достоинства
РПД перед
традиционными
поршневыми моторами
(у него в несколько раз
меньше движущихся
деталей, его вес и
размеры в 1,5-2 раза
меньше, очень низок
уровень вибраций и
отличные динамические характеристики), казалось, сделают этот двигатель бестселлером.
После вышедшего в 1964 году NSU Spyder последовали легендарная модель NSU Ro 80 (в
мире до сих пор существует множество клубов владельцев этих машин), Citroen M35
(1970), Mercedes C-111 (1969), Corvette XP (1973). Но единственным массовым
производителем стала японская Mazda, выпускавшая с 1967 года порой по 2-3 новые
модели с РПД. Роторные двигатели ставили на катера, снегоходы и легкие самолеты.
Конец эйфории пришел в 1973 году, в разгар нефтяного кризиса. Тут-то и проявился
основной недостаток роторных двигателей - неэкономичность. За исключением Mazda,
все автопроизводители свернули роторные программы, а у японской компании продажи
по Америке сократились со 104960 проданных машин в 1973 году до 61192 - в 1974-м.
Мотор ля сп цслужб
Но именно в провальном 1974 году советское правительство создает на Волжском
автозаводе специальное конструкторское бюро РПД (СКБ РПД) - социалистическая
экономика непредсказуема. В Тольятти начались работы по строительству цехов для
серийного производства "ванкелей". Поскольку ВАЗ изначально планировался как
простой копировальщик западных технологий (в частности, фиатовских), заводскими
специалистами было принято решение воспроизводить двигатель Mazda, напрочь откинув
все десятилетние наработки отечественных двигателестроительных институтов.
Советские чиновники
довольно долго вели
переговоры с Феликсом
Ванкелем на предмет
покупки лицензий,
причем некоторые из
них проходили прямо в
Москве. Денег, правда,
не нашли, и поэтому
воспользоваться
некоторыми
фирменными
технологиями не
удалось. В 1976 году
заработал первый
волжский
односекционный
двигатель ВАЗ-311
мощностью 65 л.с., еще пять лет ушло на доводку конструкции, после чего была
выпущена опытная партия в 50 штук роторных "единичек" ВАЗ-21018, мгновенно
разошедшихся среди работников ВАЗа. Тут же выяснилось, что двигатель только внешне
напоминал японский - сыпаться он стал очень даже по-советски. Руководство завода было
вынуждено за полгода заменить все двигатели на серийные поршневые, сократить на
половину штат СКБ РПД и приостановить строительство цехов. Спасение отечественного
роторного двигателестроения пришло от спецслужб: их не очень интересовал расход
топлива и ресурс двигателя, зато сильно - динамические характеристики. Тут же из двух
двигателей ВАЗ-311 был сделан двухсекционный РПД мощностью 120 л.с., который стал
устанавливаться на "спецединичку" - ВАЗ-21019. Именно этой модели, получившей
неофициальное название "Аркан", мы обязаны бесчисленным количеством баек про
милицейские "Запорожцы", догоняющие навороченные "Мерседесы", а многие стражи
порядка - орденами и медалями. До 90-х годов внешне непритязательный "Аркан"
действительно легко догонял все машины.
Оживший на спецзаказах СКБ РПД стал делать двигатели для водного и автоспорта, где
машины с роторными двигателями стали настолько часто завоевывать призовые места,
что спортивные чиновники были вынуждены запретить применение РПД.
РОТОР ПО-РУССКИ
Судьба российских роторных двигателей гораздо печальнее. В 1987 году умер
руководитель СКБ РПД Борис Поспелов и на общем собрании был выбран Владимир
Шнякин - человек, пришедший в автомобилестроение из авиации и недолюбливающий
наземный транспорт. Главным направлением СКБ РПД становится создание двигателей
для авиации.
Это была первая
стратегическая ошибка:
самолетов у нас выпускается
несоизмеримо меньше
автомобилей, а завод живет с
проданных двигателей.
Второй ошибкой стала
ориентация в сохранившемся
производстве автомобильных
РПД на маломощные
двигатели ВАЗ-1185 в 42 л.с.
для "Оки", хотя более
прожорливые, но более
динамичные роторные
двигатели так и просятся на
самые быстроходные отечественные машины - например, на "восьмерки". Те же японцы
устанавливают "ванкели" только на спортивные модели. В итоге на российских дорогах
оказалось всего несколько роторных микролитражек "Ока". В 1998 году был наконец-то
подготовлен гражданский вариант двухцилиндрового роторного 1,3-литрового двигателя
ВАЗ-415, который стали устанавливать на ВАЗ-2105, 2107, 2108 и 2109.
Сейчас, если поискать, - например, в компании "Лада Фаворит", - можно купить ВАЗ-2109
за $7300 или ВАЗ-21099 за $7700 с роторными двигателями. В самом СКБ РПД про
перспективы автомобильного роторного двигателя предпочитают не говорить. Глаза у
Владимира Шнякина загораются только при упоминании авиационного двигателя. Но и
это он готов обсуждать только после Нового года.
"Г
кий ут нок"
Не имеющий законченного технического образования, под конец жизни Феликс Ванкель
достиг мирового признания в области двигателестроения и уплотнительной техники,
завоевав массу наград и титулов. Его именем названы улицы и площади немецких городов
(Felix-Wankel-Strasse, Felix-Wankel-Ring). Помимо двигателей, Ванкель разработал новую
концепцию скоростных судов и самостоятельно построил несколько лодок. Самое
интересное, что роторный двигатель, который сделал его миллионером и принес ему
всемирную славу, Ванкель не любил, считая его "гадким утенком". Реальные работающие
РПД были сделаны по так называемой "концепции ККМ", предусматривающей
планетарное вращение ротора и требующей введения внешних противовесов. Немалую
роль сыграл и тот факт, что эту схему предложил не Ванкель, а инженер NSU Вальтер
Фройде. Сам же Ванкель до последних дней считал идеальной схему двигателя "с
вращающимися поршнями без неравномерно вращающихся частей" (Drehkolbenmasine DKM), концептуально гораздо более красивую, но технически сложную, требующую, в
частности, установки свечей зажигания на вращающемся роторе. Тем не менее, роторные
двигатели во всем мире связывают именно с именем Ванкеля, поскольку все, кто близко
знал изобрателя, в один голос утверждают, что что без неуемной энергии немецкого
инженера мир так и не увидел бы этого удивительного устройства. Фелик Ванкель ушел
из жизни в 1988 году.
Любопытна история с Mercedes 350 SL. Ванкель очень хотел иметь роторный Mercedes С111. Но фирма Mercedes не пошла ему навстречу. Тогда изобретатель взял серийный 350
SL, выкинул оттуда "родной" двигатель и установил ротор от С-111, который был легче
прежнего 8-цилиндрового на 60 кг, но развивал существенно большую мощность (320 л.с.
при 6500 об/мин). В 1972 году, когда инженерный гений закончил работу над своим
очередным чудом, он мог бы сидеть за рулем самого быстрого на тот момент "Мерседеса"
SL-класса. Ирония заключалась в том, что водительские права Ванкель до конца жизни
так и не получил.
БЕССМЕРТНЫЙ
Возрождением интереса к РПД мы обязаны новому двигателю Mazda Renesis (от RE Rotary Engine - и Genesis). За прошедшее десятилетие японским инженерам удалось
решить все основные проблемы РПД - токсичность выхлопа и неэкономичность. По
сравнению с предшественником, удалось сократить потребление масла на 50%, бензина на
40% и довести выброс вредных окисей до норм, соответствующих Euro IV.
Двухцилиндровый двигатель объемом всего 1,3 л выдает мощность в 250 л.с. и занимает
гораздо меньше места в двигательном отсеке.
Специально под новый
двигатель был
разработан автомобиль
Mazda RX-8, который,
по словам брэндменеджера Mazda Motor
Europe Мартина Бринка,
создавался по новой
концепции - автомобиль
"строился" вокруг
двигателя. В итоге
развесовка по осям RX-8
идеальна - 50 на 50.
Использование
уникальной формы и
маленьких размеров
двигателя позволило поместить центр тяжести очень низко. "RX-8 не явяляется гоночным
монстром, но это лучшая в управлении машина, которую я когда-либо водил", - с
восторгом рассказывал Popular Mechanics Мартин Бринк. В Германии автомобиль
появится по цене ниже 30000 евро. При ввозе в Россию эти роскошные спортивные
автомобили будут облагаться налогом на уровне микролитражек. Несмотря на то, что, по
данным компании, ни один технический специалист из российских импортеров Mazda не
проходил тренинга по роторным двигателям, японские РПД неплохо обслуживают в
НАМИ, где до сих пор сохранились первоклассные специалисты.
Бочк м
...
Вне всяких сомнений, с первого взгляда роторно-поршневой двигатель имеет массу
преимуществ перед традиционными двигателями внутреннего сгорания:
- Меньшим на 30-40% количеством деталей;
- Меньшими в 2-3 раза габаритами и массой, по сравнению с соответствующим по
мощности стандартным ДВС;
- Плавная характеристика крутящего момента во всем диапазоне оборотов;
- Отсутствие кривошипно-шатунного механизма, а, следовательно, гораздо меньший
уровень вибрации и шума;
- Высокий уровень оборотов (до 15000 об/мин!).
Ложк
тя...
Казалось бы, если "Ванкель" имеет такие превосходства над поршневым двигателем, то
кому нужны эти громоздкие, тяжелые, гремящие и вибрирующие поршневые двигатели?
Но, как это часто бывает, на практике все далеко не так шоколадно. Ни одно гениальное
изобретение, выйдя за порог лаборатории, отправлялось в корзину с пометкой "для
мусора". Серийное производство нашло не на один камень, а на целую россыпь гранита:
- Отработка процесса сгорания в камере неблагоприятной формы;
- Обеспечение герметичности уплотнений;
- Обеспечение работы без коробления корпуса в условиях неравномерного нагрева;
- Низкий термический КПД ввиду того, что камера сгорания РПД намного больше, чем у
традиционного ДВС;
- Высокий расход топлива;
- Высокая токсичность газообразных продуктов сгорания;
- Узкая зона температур для работы РПД: при низких температурах мощность двигателя
резко падает, при высоких - быстрый износ уплотнений ротора.
И чего же больше? Плюсов, или минусов? Стоит ли овчинка выделки? Имеет ли смысл
(если не больше - возможность) осваивать серийное производство РПД? В начале 1960х
годов одиннадцать крупнейших компаний-производителей автомобилей пришли к
выводу, что стоит, и приобрели лицензии на разработку и установку "Ванкеля".
Mercedes Benz C-111.
Есть машины, а есть
Mercedes, и первыми на
рисковый эксперимент
решились немцы. В 1969
году был представлен...
не автомобиль, нет!
Революция! Спортивный
автомобиль
клиновидной формы
ярко-оранжевого цвета с
дверями типа "крылья
чайки". Но революционным был даже не дизайн автомобиля, а то, что скрывалось под
капотом: трехпоршневый "Ванкель" объемом 3,6 литра, мощностью 280 л.с., разгоняющий
С-111 до 260 км/ч (!). Нет, это сегодня "ого", а тридцать пят лет назад 260 км/ч - это "о-гого".
Но есть машины, а есть Mercedes, и С-111 отправился не в мусорную корзину, а в музей.
Технические сложности, не позволившие довести до серийного производства этот РПД, до
сих пор не решены.
Все же есть машины, а есть Mercedes, и весной 1970 года концерн представил новый
"апельсин" - концепт-кар С-111-II. О-го-го переросло в немое восхищение. На новой
версии был установлен четырехоршневой "Ванкель" объемом 4,6 литра, мощностью 350
л.с. и максимальной скоростью в 300 км/ч!
Богатые клиенты посылали в концерн чеки, чтобы гарантировать себе получение одного
из первых экземпляров. Энцо Феррари нервно курил в стороне, а Феруччио Ламборгини,
возможно, так никогда и не построил бы свой 350GTV, если бы не одно "но": те же
трудности, что и с двигателем предыдущей модели, не позволили продвинуться дальше
опытного образца.
Mazda RX-7.
Спустя десять лет, в марте 1978 года, в
стране восходящего солнца созрела своя
разработка на тему автомобиля с РПД Mazda RX-7 - первый в мире успешный
серийный автомобиль с роторнопоршневым двигателем Ванкеля.
"Семерка" комплектовалась
двухсекционным РПД суммарной
мощностью 100 л.с. и развивала
скорость до 200 км/ч. Большей частью
оттого, что японцы смогли решить
упомянутые выше проблемы, и оттого,
что аналогичных автомобилей попросту
не существовало, до 1980 года было
продано... более 1000000 (одного
миллиона!) автомобилей с РПД!
За время своего существования RX-7
пережила три глубоких модернизации,
последняя - Mazda RX-7 1999 года - уже четвертое поколение. Но с 1996 года Toyo Kogyo
Co.Ltd. (владелица марки Mazda) выпускает автомобили с РПД только для внутреннего
рынка. В Европе доступна лишь модификация 1995 года с "Ванкелем" с двойным
наддувом, объемом 1,3 литра, мощностью 225 л.с. и разгоном до 100 км/ч за 5,4 с. Здесь
стоит заметить, что цена на RX-7 намного ниже, чем у большинства европейских спорткупе с аналогичными характеристиками. И немного соли на рану: гарантированный
ресурс РПД японского производства... 300 тысяч километров!
ВАЗ - к к мно о
этом з ук ...
Такая супердержава как
СССР просто не могла
пропустить такую
разработку, как
"Ванкель" мимо своих
"лабораторий" и в 1974
году на Волжском
автозаводе было создано
специальное
конструкторское бюро.
Вскоре был рожден
отечественный РПД - ВАЗ-311 мощностью 70 л.с. Несмотря на "сырость" конструкции с
конвейера сошла опытная партия автомобилей ВАЗ-21018. Однако здравствуйте.
Массовые отказы и дефекты породили такой резонанс, что завод был вынужден заменить
РПД на серийные двигатели. Первый блин, как это зачастую бывает, не удался. В
результате с ВАЗа были уволены многие специалисты, а финансирование КБ сильно
сократилось.
В начале 1980х годов разработкой заинтересовались спецслужбы. Еще бы! 140 "лошадей"
под капотом обычной с виду "копейки" - отличный козырь! К тому же ресурс двигателя и
расход топлива ребят в погонах волновал мало - для КБ это был идеальный вариант!
Новый двигатель ВАЗ-4132 имел мощность 120 л.с., но устанавливался на ту же
"копейку", получившую индекс 21019.
Следующий виток история сделала уже в конце 1980х годов, когда КБ получило заказ на
разработку роторно-поршневого двигателя для автомобиля специального назначения
"Таврия". Было принято решение спроектировать двигатель, который встал бы в ВАЗ-2108
без доработки кузова и трансмиссии, что и было сделано. Но если легкую "Таврию"
двухсекционный РПД мощностью 105 л.с. разгоняет до 200 км/ч, то на более тяжелой
"восьмерке" этот показатель поскромнее - 190 км/ч.
По
о я ито и.
Конечно, высокий расход топлива (до 16 литров на 100 км) и масла (до 500 грамм на 1000
км) может, кого-то и отпугнет, но стрит-рейсеры и профессиональные спортсмены давно
привыкли к "прожорливости" своих стальных коней. А невысокий ресурс РПД - очередная
сказка. Например, того же ВАЗ-415 хватает на 80-100 тысяч километров. Да и ремонт во
много раз проще - подвижных частей меньше.
Во всяком случае, турбиной или нагнетателем уже никого не удивишь, а "Ванкель" - и
сегодня экзотика.
История[править | править исходный текст]
Двигатель Стирлинга был впервые запатентован шотландским священником Робертом
Стирлингом 27 сентября 1816 года (английский патент № 4081). Однако первые
элементарные «двигатели горячего воздуха» были известны ещѐ в конце XVII века,
задолго до Стирлинга. Достижением Стирлинга является добавление очистителя, который
он назвал «эконом».
В современной научной литературе этот очиститель называется «рекуператор». Он
увеличивает производительность двигателя, удерживая тепло в тѐплой части двигателя, в
то время как рабочее тело охлаждается. Этот процесс намного повышает эффективность
системы. Чаще всего рекуператор представляет собой камеру, заполненную проволокой,
гранулами, гофрированной фольгой (гофры идут вдоль направления потока газа). Газ,
проходя через наполнитель очистителя в одну сторону, отдаѐт (или приобретает) тепло, а
при движении в другую сторону отбирает (отдаѐт) его. Очиститель может быть внешним
по отношению к цилиндрам, а может быть размещѐн на поршне-вытеснителе в бета- и
гамма-конфигурациях. В последнем случае размеры и вес машины оказываются меньше.
Частично роль очистителя выполняет зазор между вытеснителем и стенками цилиндра
(при длинном цилиндре надобность в таком устройстве вообще исчезает, но появляются
значительные потери из-за вязкости газа). В альфа-стирлинге очиститель может быть
только внешним. Он устанавливается последовательно с теплообменником, в котором
происходит нагрев рабочего тела, со стороны холодного поршня.
В 1843 году Джеймс Стирлинг использовал этот двигатель на заводе, где он в то время
работал инженером. В 1938 году фирма «Филипс» инвестировала в двигатель Стирлинга
мощностью более двухсот лошадиных сил и отдачей более 30 %. Двигатель Стирлинга
имеет много преимуществ и был широко распространѐн в
эпоху паровых машин.
В XIX веке инженеры хотели создать безопасную замену
паровым двигателям того времени, котлы которых часто
взрывались из-за высоких давлений пара и неподходящих
материалов для их постройки. Хорошая замена паровым
машинам появилась с созданием двигателей Стирлинга,
который мог преобразовывать в работу любую разницу
температур. Основной принцип работы двигателя Стирлинга заключается в постоянно
чередуемых нагревании и охлаждении рабочего тела в закрытом цилиндре. Обычно в роли
рабочего тела выступает воздух, но также используются водород и гелий. В ряде опытных
образцов испытывались фреоны, двуокись азота, сжиженный пропан-бутан и вода. В
последнем случае вода остаѐтся в жидком состоянии на всех участках
термодинамического цикла. Особенностями «стирлинга» с жидким рабочим телом
являются малые размеры, высокая удельная мощность и большие рабочие давления.
Существует также «стирлинг» с двухфазным рабочим телом. Он тоже характеризуется
высокой удельной мощностью, высоким рабочим давлением.
Из термодинамики известно, что давление, температура и объѐм идеального газа
взаимосвязаны и следуют закону
, где:





P — давление газа;
V — объём газа;
n — количество молей газа;
R — универсальная газовая константа;
Т — температура газа в кельвинах.
Это означает, что при нагревании газа его объѐм увеличивается, а при охлаждении —
уменьшается. Это свойство газов и лежит в основе работы двигателя Стирлинга.
Двигатель Стирлинга использует цикл Стирлинга, который по термодинамической
эффективности не уступает циклу Карно, и даже обладает преимуществом. Дело в том,
что цикл Карно состоит из мало отличающихся между собой изотерм и адиабат.
Практическое воплощение этого цикла малоперспективно. Цикл Стирлинга позволил
получить практически работающий двигатель в приемлемых размерах.
Диаграмма «давление-объём» идеализированного цикла Стирлинга
Цикл Стирлинга состоит из четырѐх фаз и разделѐн двумя переходными фазами: нагрев,
расширение, переход к источнику холода, охлаждение, сжатие и переход к источнику
тепла. Таким образом, при переходе от тѐплого источника к холодному источнику
происходит расширение и сжатие газа, находящегося в цилиндре. При этом изменяется
давление, за счѐт чего можно получить полезную работу.
Нагрев и охлаждение рабочего тела (участки 4 и 2) производится очистителем. В идеале
количество тепла, отдаваемое и отбираемое очистителем, одинаково. Полезная работа
производится только за счѐт изотерм, то есть зависит от разницы температур нагревателя
и охладителя, как в цикле Карно. Рабочий цикл двигателя Стирлинга beta-типа:
1
2
3
4
где: a — вытеснительный поршень; b — рабочий поршень; с — маховик; d — огонь
(область нагревания); e — охлаждающие ребра (область охлаждения).
1. Внешний источник тепла нагревает газ в нижней части теплообменного цилиндра.
Создаваемое давление толкает рабочий поршень вверх (обратите внимание, что
вытеснительный поршень неплотно прилегает к стенкам).
2. Маховик толкает вытеснительный поршень вниз, тем самым перемещая разогретый
воздух из нижней части в охлаждающую камеру.
3. Воздух остывает и сжимается, рабочий поршень опускается вниз.
4. Вытеснительный поршень поднимается вверх, тем самым перемещая охлаждённый
воздух в нижнюю часть. И цикл повторяется.
В машине Стирлинга движение рабочего поршня сдвинуто на 90° относительно движения
поршня-вытеснителя. В зависимости от знака этого сдвига машина может быть
двигателем или тепловым насосом. При сдвиге 0 машина не производит никакой работы
(кроме потерь на трение) и не вырабатывает еѐ.
Цикл Стирлинга считается непременной принадлежностью именно двигателя Стирлинга.
В то же время, подробное изучение принципов работы множества созданных на
сегодняшний день конструкций показывает, что значительная часть из них имеет рабочий
цикл, отличный от цикла Стирлинга. Например, альфа-стирлинг с поршнями разного
диаметра имеет цикл, более похожий на цикл Эрикссона. Бета- и гамма-конфигурации,
имеющие достаточно большой диаметр штока у поршня-вытеснителя, также занимают
некое промежуточное положение между циклами Стирлинга и Эрикссона.
При движении вытеснителя в бета-конфигурации изменение состояния рабочего тела
происходит не по изохоре, а по наклонной линии, промежуточной между изохорой и
изобарой. При некотором отношении диаметра штока к общему диаметру вытеснителя
можно получить изобару (это отношение зависит от рабочих температур). В этом случае
поршень, который ранее был рабочим, играет лишь вспомогательную роль, а настоящим
рабочим становится шток вытеснителя. Удельная мощность такого двигателя оказывается
примерно в 2 раза большей, чем в привычных «стирлингах», ниже потери на трение, так
как давление на поршень более равномерно. Схожая картина в альфа-стирлингах с разным
диаметром поршней. Двигатель с промежуточной диаграммой может иметь нагрузку,
равномерно распределѐнную между поршнями, то есть между рабочим поршнем и
штоком вытеснителя.
Важным преимуществом работы двигателя по циклу Эрикссона или близкому к нему
является то, что изохора заменена на изобару или близкий к ней процесс. При расширении
рабочего тела по изобаре не происходит никаких изменений давления, никакого
теплообмена, кроме передачи тепла от очистителя рабочему телу. И этот нагрев тут же
совершает полезную работу. При изобарном сжатии происходит отдача тепла очистителю.
В цикле Стирлинга при нагреве или охлаждении рабочего тела по изохоре происходят
потери тепла, связанные с изотермическими процессами в нагревателе и охладителе.
Инженеры подразделяют двигатели Стирлинга на три различных вида:
Альфа-Стирлинг
Бета-стирлинг с ромбическим механизмом и Гамма-Стирлинг без
регенератором
регенератора

Альфа-Стирлинг — содержит два раздельных силовых поршня в раздельных цилиндрах,
один — горячий, другой — холодный. Цилиндр с горячим поршнем находится в
теплообменнике с более высокой температурой, с холодным — в более холодном. У
данного вида двигателя отношение мощности к объёму достаточно велико, но, к
сожалению, высокая температура «горячего» поршня создаёт определённые технические
трудности.
Регенератор находится между горячей частью соединительной трубки и холодной.

Бета-Стирлинг — цилиндр всего один, горячий с одного конца и холодный с другого.
Внутри цилиндра движутся поршень (с которого снимается мощность) и вытеснитель,
изменяющий объём горячей полости. Газ перекачивается из холодной части цилиндра в
горячую через регенератор. Регенератор может быть внешним, как часть теплообменника,
или может быть совмещён с поршнем-вытеснителем.

Гамма-Стирлинг — тоже есть поршень и вытеснитель, но при этом два цилиндра — один
холодный (там движется поршень, с которого снимается мощность), а второй горячий с
одного конца и холодный с другого (там движется вытеснитель). Регенератор может быть
внешним, в этом случае он соединяет горячую часть второго цилиндра с холодной и
одновременно с первым (холодным) цилиндром. Внутренний регенератор является
частью вытеснителя.
Также существуют разновидности двигателя Стирлинга, не попадающие под
вышеуказанные три классических вида:

Роторный двигатель Стирлинга — решены проблемы герметичности (патент Мухина на
герметичный ввод вращения (ГВВ), серебряная медаль на международной выставке в
Брюсселе «Эврика-96») и громоздкости (нет кривошипно-шатунного механизма, так как
двигатель роторный)[1].
Недостатки[править | править исходный текст]

Громоздкость и материалоёмкость — основной недостаток двигателя. У двигателей
внешнего сгорания вообще, и двигателя Стирлинга в частности, рабочее тело необходимо
охлаждать, и это приводит к существенному увеличению массо-габаритных показателей
силовой установки за счёт увеличенных радиаторов.

Для получения характеристик, сравнимых с характеристиками ДВС, приходится применять
высокие давления (свыше 100 атм) и особые виды рабочего тела — водород, гелий.

Тепло подводится не к рабочему телу непосредственно, а только через стенки
теплообменников. Стенки имеют ограниченную теплопроводность, из-за чего КПД
оказывается ниже, чем можно было ожидать. Горячий теплообменник работает в очень
напряжённых условиях теплопередачи, и при очень высоких давлениях, что требует
применения высококачественных и дорогих материалов. Создание теплообменника,
который удовлетворял бы противоречивым требованиям, весьма трудно. Чем выше
площадь теплообмена, тем больше потери тепла. При этом растёт размер
теплообменника и объём рабочего тела, не участвующий в работе. Поскольку источник
тепла расположен снаружи, двигатель медленно откликается на изменение теплового
потока, подводимого к цилиндру, и не сразу может выдать нужную мощность при запуске.

Для быстрого изменения мощности двигателя используются способы, отличные от
тех, которые применялись в двигателях внутреннего сгорания: буферная ёмкость
изменяемого объёма, изменение среднего давления рабочего тела в камерах, изменение
фазного угла между рабочим поршнем и вытеснителем. В последнем случае отклик
двигателя на управляющее действие водителя является почти мгновенной.
Преимущества[править | править исходный текст]
Тем не менее, двигатель Стирлинга имеет преимущества, которые вынуждают заниматься
его разработкой.






«Всеядность» двигателя — как все двигатели внешнего сгорания (вернее — внешнего
подвода тепла), двигатель Стирлинга может работать от почти любого перепада
температур: например, между разными слоями воды в океане, от солнца, от ядерного или
изотопного нагревателя, угольной или дровяной печи и т. д.
Простота конструкции — конструкция двигателя очень проста, он не требует
дополнительных систем, таких как газораспределительный механизм. Он запускается
самостоятельно и не нуждается в стартере. Его характеристики позволяют избавиться от
коробки передач. Однако, как уже отмечалось выше, он обладает большей
материалоёмкостью.
Увеличенный ресурс — простота конструкции, отсутствие многих «нежных» узлов
позволяет «стирлингу» обеспечить небывалый для других двигателей запас
работоспособности в десятки и сотни тысяч часов непрерывной работы.
Экономичность — для утилизации некоторых видов тепловой энергии, особенно при
небольшой разнице температур, «стирлинги» часто оказываются самыми эффективными
видами двигателей. Например, в случае преобразования в электричество солнечной
энергии «стирлинги» иногда дают больший КПД (до 31,25 %), чем тепловые машины на
пару.[2]
Бесшумность двигателя — «стирлинг» не имеет выхлопа, а значит уровень его шума
гораздо меньше, чем у поршневых двигателей внутреннего сгорания. Бета-стирлинг с
ромбическим механизмом является идеально сбалансированным устройством и, при
достаточно высоком качестве изготовления, имеет предельно низкий уровень вибраций
(амплитуда вибрации меньше 0,0038 мм).
Экологичность — сам по себе стирлинг не имеет каких-то частей или процессов, которые
могут способствовать загрязнению окружающей среды. Он не расходует рабочее тело.
Экологичность двигателя обусловлена прежде всего экологичностью источника тепла.
Стоит также отметить, что обеспечить полноту сгорания топлива в двигателе внешнего
сгорания проще, чем в двигателе внутреннего сгорания.
Применение[править | править исходный текст]
Двигатель Стирлинга с линейным генератором переменного тока
Двигатель Стирлинга применим в случаях, когда необходим небольшой преобразователь
тепловой энергии, простой по устройству, либо когда эффективность других тепловых
двигателей оказывается ниже: например, если разницы температур недостаточно для
работы паровой или газовой турбины.
РОТОРНО-ПОРШНЕВАЯ МАШИНА (СТАВРОПОЛЬСКАЯ)
Изобретение относится к области
энергетического машиностроения.
автомобилестроения,
а
также
Существует поршневой двигатель внутреннего сгорания (ДВС), т.н.
двигатель Отто, в котором возвратно-поступательное движение поршня
преобразуется во вращательное движение коленчатого вала посредством
кривошипно-шатунного механизма. Существует также воздушный насос
(компрессор), работающий по аналогичной схеме, но с обратным
направлением работы. Недостатки данной схемы заключаются в больших
линейных ускорениях и перегрузках поршневой группы, неравномерном
износе деталей, невозможности полной балансировки подвижных частей
механизма. Проблематично создание быстроходных двигателей на дизельном
топливе.
Известен роторно-поршневой двигатель О. Меркера с радиальным
расположением цилиндров, образующих единый блок-ротор, выполненный в
виде многолучевой звезды и установленный на выходном валу, каждый
поршень которого контактирует посредством ролика с профильной беговой
дорожкой силового кольца, охватывающего ротор. Недостатком его являются
значительные радиальные силы, действующие на поршни со стороны
силового кольца и приводящие к быстрому износу деталей. Существует
радиально-поршневой гидравлический мотор, работающий по схеме,
аналогичной вышеописанной (двигатель О. Меркера). Недостатки те же плюс
малая частота вращения выходного вала.
Известен роторно-лопастной двигатель (РЛД) с рабочими органами в виде
лопастей, догоняющих одна другую в кольцевой камере и образующих при
этом переменные объѐмы, используемые для организации рабочего процесса
по 4-х тактному циклу. Недостатками схемы являются сложности
синхронизации движения лопастей посредством надѐжного механизма и как
следствие этого практическая невозможность работы двигателя под
нагрузкой в паре с механической трансмиссией. Кроме того, пульсирующее
вращение лопастей мало чем отличается от возвратно-поступательного
перемещения поршня в тронковом двигателе в части действия
знакопеременных сил на всю поршневую группу.
Наиболее близким аналогом предлагаемого устройства является роторнопоршневой двигатель Ф.Ванкеля, в котором выходной вал приводится через
эксцентриситетное вращение трѐхгранного ротора в рабочей полости
эпитрохоидной формы. Недостатком машины является низкая степень
сжатия рабочего тела (как следствие, низкий КПД), ускоренный износ
деталей вследствие действия радиальных сил, высокий расход масла.
Проблематичность обратного направления работы (в режиме движения а/м
накатом), т.е. работы в режиме компрессора.
Целью изобретения является повышение КПД машины посредством отказа
от возвратно-поступательного движения в приводе выходного вала (поршня),
более высокой степени сжатия рабочего тела, уменьшение еѐ габаритов и
массы.
Поставленная цель достигается тем, что рабочая камера имеет форму
равносторонней призмы, поперечное сечение которой представляет собой
пересечение трѐх окружностей, центры которых лежат в вершинах
равностороннего треугольника, а радиусы одинаковы и больше стороны
треугольника на некоторую величину, ротор-поршень имеет в поперечном
сечении форму линзы с длиной продольной оси, равной расстоянию между
центрами окружностей, образующих сечение камеры плюс некоторую
величину и осью вращения, проходящей через центр линзы, выходной вал
(валы) расположен (-ы) в торцевой плоскости (плоскостях) камеры с
возможностью вращения в корпусе и соединѐн с осью ротора-поршня
посредством скользящего вкладыша, расположенного в теле вала
эксцентрично и с возможностью вращения в плоскости вращения ротора, ось
вращения ротора эксцентрично связана со скользящим вкладышем, причѐм
ротор совершает шаговые перемещения внутри камеры корпуса с
попеременной опорой одного из рѐбер в одной из вершин камеры, центр
сечения (линзы) ротора описывает псевдоциклоидную кривую внутри
камеры, а некоторая величина – это радиус окружности фаски на рѐбрах
поршня, при этом скользящий вкладыш, вращаясь в теле маховика, приводит
вал также во вращательное движение.
На фиг. 1 изображена схема роторно-поршневого двигателя (поперечный
разрез).
На фиг. 2 – связь между валом и ротором выполнена в виде планетарного
редуктора
(вариант
исполнения).
На фиг. 3 изображена псевдо- (квази-)циклоидная кривая, описываемая осью
ротора-поршня (далее – ротора) за один оборот выходного вала.
РОТОРНО-ПОРШНЕВОЙ
ДВИГАТЕЛЬ (СТАВР) (далее –
РПДС) (вариант 1) содержит корпус 1
с
рабочей
камерой
2,
распределительными каналами 3, в
котором с возможностью вращения
установлен выходной (входной) вал 4,
жѐстко связанный с маховиком 5, в
теле которого эксцентрично размещѐн
скользящий вкладыш 6, в теле
которого,
в
свою
очередь,
эксцентрично установлена ось 7
вращения
ротора-поршня
8,
устройства подачи топлива и его
воспламенения
(фиг.1).
Вариант 2. Выходной (входной) вал 4
жѐстко связан с коронной шестерней
9, скользящий вкладыш 6 связан с
сателлитом 10, установленным с
возможностью вращения на оси
вкладыша, полость в корпусе 1 имеет
зубчатый венец 11, все три зубчатых
элемента
представляют
собой
редуктор с промежуточным телом
вращения (планетарный), маховик 5
установлен
с
возможностью
свободного вращения на входном
(выходном) валу 4 (фиг.2).
Работает РПМС следующим образом. Через окна впускных клапанов в
полость над ротором (поршнем) 8 нагнетается рабочее тело (газ, жидкость)
(фиг.1). Изображѐнное на схеме положение ротора соответствует верхней
мѐртвой точке (ВМТ). Исходя из того, что изначально валу 4 и маховику 5
был дан импульс определѐнного направления (в случае с двигателем),
давление рабочего тела заставляет перемещаться одно из плеч ротора с
опорой на второе. При этом в том же направлении перемещается ось 7 ротора
8, приводя во вращение скользящий вкладыш 6. Ротор 8 совершает вращение
третьего порядка вокруг оси 7, которая совершает вращение второго порядка
вокруг центра скользящего вкладыша 6, совершающего вращение первого
порядка вокруг центра маховика 5. Траектория движения центра ротора за
один оборот в данном случае не совпадает с дельтоидой, и еѐ длина
несколько больше этой гипоциклоиды (фиг.3), вследствие этого еѐ можно
наименовать квазициклоидой или псевдоциклоидой. Один такт работы
РПМК соответствует одному шагу ротора, т.е. его перемещению до
следующей ВМТ или одной трети оборота вала. Одновременно машина
позволяет осуществлять два противоположных рабочих такта – один
происходит над поршнем, другой под ним.
Возможен также вариант исполнения РПМС с зубчатым зацеплением
вращающихся элементов (фиг. 2). Шестерня 10 играет роль сателлита в
планетарной передаче между стационарным зубчатым колесом 11 и
коронной шестерней 9 и при работе катится по венцу корпуса, приводя во
вращение центральную шестерню, соединѐнную с валом.
При использовании машины в качестве РПД возможно осуществление еѐ
работы как по 2-тактному, так и по 4-тактному циклам.
Конструктивные особенности: за два оборота выходного вала
осуществляется три рабочих цикла (в 4-тактном ДВС). Для сравнения:
двигатель Ф. Ванкеля за то же число оборотов вала совершает два рабочих
цикла, двигатель Отто - один цикл. Следствием чего является возможность
снижения минимально устойчивых оборотов выходного вала, что вкупе с
широким диапазоном оборотов может представлять интерес для малой
авиации, т.к. не требует дополнительной редукции оборотов вала двигателя
перед винтом. К другим достоинствам можно отнести высокую плотностью
компоновки (отношение рабочего объѐма к объѐму двигателя), отсутствие
радиальных и инерционных сил в поршневой группе и приводе выходного
(входного) вала, максимальные обороты выходного вала значительно
превышают аналогичные параметры традиционной схемы, механизм
полностью сбалансирован, т.к. не содержит эксцентриковых элементов,
имеет простую форму камеры и ротора. Не содержит шестерней в
синхронизирущем механизме, камеры сгорания герметичны (главные
недостатки большинства схем роторно-лопастного двигателя РЛД).
Возможно использование совместно с механической трансмиссией. В
отличие от роторно-волнового двигателя (РВД) имеет более простую форму
ротора и камеры сгорания и более простой механизм передачи крутящего
момента на выходной вал. Форма камеры сгорания позволяет разрабатывать
одноступенчатый ДВС с высокой степенью сжатия, работающий на
дизельном топливе (в отличие от РПД Ванкеля).
Предлагаемая схема совмещает достоинства кривошипно-шатунного
механизма, при котором протекание рабочего процесса наиболее оптимально
(остановка поршня в ВМТ и сгорание топливо-воздушной смеси в
постоянном объѐме) и роторного механизма, в котором отсутствует
возвратно-поступательное перемещение поршня. В экономичном режиме в
течение одного рабочего хода осуществляется непосредственно рабочее
действие газов (от ВМТ к НМТ) и дорасширение отработавших газов (от
НМТ к ВМТ) перед их удалением из рабочей полости. Наименование ВМТ и
НМТ условно, т.к. в этих точках при равномерном вращении выходного вала
есть замедление движения поршня-ротора, но нет перекладки (смены вектора
угловой скорости на противоположный) в его движении.
ДВИГАТЕЛИ КУРОЧКИНА
Модуль-двигатель
МДК21
История
создания
проекта
В историческом плане проект был начат в 1992 году с организации в
недрах Рыбинского конструкторского бюро моторостроения (РКБМ)
общественного конструкторского бюро под руководством А. Г.
Курочкина,
поставившего
перед
собой
цель
создания
сверхкомпактного двигателя для легкомоторной авиации. При
финансовой поддержке Совета ВОИР г. Рыбинска был изготовлен
образец двигателя Д-07П с пластинчатым кинематическим механизмом
по
а.с.
СССР
№1730887
и
№1741487.
Испытания Д-07П выявили серьезные недостатки в работе
кинематического механизма и практической невозможности
применения
традиционных
методов
проектирования
к
нетрадиционным видам двигателей. По результатам испытаний была
проведена большая теоретическая работа, был разработан новый
кинематический механизм, лишенный недостатков, обнаруженных в Д07П, была разработана концепция модуль-двигателя и начали
применяться новые методы проектирования. В 1994 году была
предпринята следующая попытка создания сверхкомпактного
двигателя, получившего название: модуль-двигатель МД14-70.
Выпуск конструкторской документации МД14-70 был осуществлен на
общественных началах силами бригады авиационных дизелей под
руководством Ю. В. Лебедева в рамках конкурса на лучший товар
народного потребления. После изготовления 60 % деталей МД14-70
руководство РКБМ прекратило работы по созданию двигателя, как
необеспеченные
финансовыми
ресурсами.
Новый этап работ по созданию МД начался в 1996 году с организации
в
г.
Рыбинск
«Научно-исследовательской
лаборатории
двигателестроения» (НИЛД), как коммерческого предприятия.
Генеральным конструктором НИЛД был избран А.Г.Курочкин. В
рамках исследовательской программы НИЛД были спроектированы,
изготовлены и испытаны две модели модуль-двигателя МД15-70 и
МД17-85
http://delta.wtr.ru/archive/17717.shtml
http://ideyka.narod.ru/TEMA/izobretenie/dvigun/dvigun.htm)
каждый в количестве двух экземпляров. Конструкция защищена
патентами Российской Федерации №2082903, №2097602, №2098666 и
№2099556.
Поскольку степень новизны этих двигателей на момент начала
разработки составляла 98 %, и, соответственно, отсутствовали какиелибо экспериментальные данные, встал вопрос о создании новых
методов проектирования двигателей внутреннего сгорания (ДВС),
способных обеспечить гарантированный результат в условиях высокой
степени новизны. Следует отметить, что в мировой практике
существует тенденция не рассматривать и не финансировать проекты
со степенью новизны более 25…30 %, по причине повышенных
технических
и
организационных
рисков.
К решению этой задачи в 1997 году удалось подключить Рыбинскую
государственную авиационную технологическую академию (РГАТА) и
получить от Министерства образования России бюджетное
финансирование по статье фундаментальных исследований. На
практическом примере проектирования, изготовления и испытания
таких наукоемких изделий с высокой степенью новизны, как модульдвигатели МД15-70 и МД17-85, под руководством к.т.н., профессора
РГАТА Б.Н.Леонова велся поиск новых методов и подходов,
использующих априорную (до опытную) информацию. В результате
сотрудничества с РГАТА был проведен большой объем научноисследовательских работ (НИР), завершившийся в 2000 году
оформлением отчета о НИР «Разработка методологии проектирования
вновь создаваемых двигателей внутреннего сгорания на основе
математической имитационной модели». В этом отчете были впервые
сформулированы начальные принципы новой методологии априорного
математического имитационного моделирования (МАМИМ) и
априорной математической модели. Фундаментальное значение этой
работы состоит в том, что впервые в теории и на практике была
показана возможность получения важной и точной информации о
свойствах объекта или процесса до проведения испытаний, путем
наделения его человеческим сознанием и анализа поведения. Такой
прием вышел далеко за рамки классического научного метода и
предоставил новые возможности исследования и проектирования
изделий
различного
назначения.
К 2000 году к моменту формального завершения НИР усилия по
созданию МД полностью истощили финансовые ресурсы НИЛД и все
работы
по
этому
проекту
были
прекращены.
Новый импульс к развитию коллектив НИЛД нашел в том, что
МАМИМ позволяет создавать изделия с высокой степенью новизны
при значительном сокращении сроков и уменьшении объемов
требуемого финансирования. К этому времени был сформирован
научно-технический задел по узлам и системам МД, который можно
было конвертировать в аналогичные изделия для других применений. В
частности, значительных успехов удалось достигнуть в разработке
сверхкомпактного
насоса
системы
смазки
и
встроенного
сверхкомпактного стартер-генератора. Начался поиск и реализация
мелких заказов на разработку гидравлических и электрических машин
различного
назначения.
В результате применения МАМИМ новый метод развивался и
уточнялся на практике. В 2004 году было сделано фундаментальное
открытие существования априорного критерия истинности, имеющего
всеобщий характер (на настоящий момент открытие не
зарегистрировано). Его применение при обработке экспериментальной
информации позволило осуществить прорыв в области обеспечения
точности проектирования изделий с высокой степенью новизны (ВСН).
В результате обработки большого объема разнородных экспериментов
было выявлено, что при применении нового критерия реализуются
математические модели, соответствующие реальным процессам с
коэффициентом корреляции 0,999 и дающие высокоточный прогноз
поведения за пределами исследованной в эксперименте области. При
этом легко обнаруживаются нарушения в технологии постановки и
проведения испытаний изделий или процессов. С позиций
сегодняшних знаний можно утверждать, что истинной информация
является только тогда, когда удовлетворяет и опытному, и априорному
критерию истинности, а удовлетворение лишь одному из критериев
дает
приблизительный
результат.
Более глубокое знание природы вещей позволило коллективу НИЛД
спроецировать развитие техники в будущее и разработать ряд базовых
концепций. В 2000-х годах НИЛД сконцентрировала свои усилия на
создании универсальной для автомобильного, авиационного и водного
транспорта гибридной силовой установки. Возможность реализации в
одном изделии противоречивых требований была обнаружена в 2004
году, как один из эффектов, присущих МАМИМ. Система действий,
направленная на реализацию этого эффекта, получила название
«Метода унификации по максимумам качества». Этот метод был
проверен на практике при создании электроприводов изд. 411А, изд.
414М и изд. 414Е НИЛД и подтвердил свою эффективность.
С тяговым электродвигателем изд. 411А НИЛД принимал участие в
корпоративной исследовательской программе ОАО «АвтоВАЗ»
создания автомобиля на топливных элементах «Лада-Антэл-2»
http://www.autofaq.ru/articles/304/2911
http://go.mail.ru/frame.html?&imgurl=http%3A%2F%2Fwww.dp59.ru%2Ff
iles%2FImage%2FLada%2520Antel-2.jpg&pageurl=http%3A%2F%2Fwww.dp59.ru%2F%3Fapp%3Dnews%26c
md%3Dview%26id%3D4970&id=39973660&iid=2&imgwidth=630&imgh
eight=420&imgsize=51680
. В рамках этой программы НИЛД, за счет собственного
финансирования, разработал тяговый электропривод 4-го поколения
изд. 414М с параметрами недоступными пока для зарубежных
компаний. К сожалению, одностороннее прекращение финансирования
исследований со стороны ОАО «АвтоВАЗ» привело НИЛД к
финансовой
катастрофе

банкротству.
Сама возможность осуществления научно-технических разработок в
условиях России в 90-е годы XX века была для НИЛД одним из
предметов исследований. С самого своего зарождения в 1996 году
НИЛД подвергался преследованиям и гонениям со стороны тех, кто
был убежден, что Родину продавать это морально, поскольку выгодно.
Их действия на фоне НИЛД выглядели неприглядно. Фактически
самые важные исследования НИЛД проводил на полулегальной основе
и зачастую не имел возможности публиковать результаты. После
прекращения финансирования со стороны ОАО «АвтоВАЗ» у НИЛД
отобрали помещение лаборатории и офиса. Все стендовое
оборудование погибло. Формально НИЛД, как юридическое лицо
перестал существовать, а коллектив продолжил свои исследования в
составе ЗАО «НИЛД-Гидро», специально учрежденного для
разработки
нового
нефтедобывающего
оборудования.
В начале 2005 года НИЛД-Гидро получила заказ на поставку тягового
электропривода 3-го поколения, изд. 414Е НИЛД, для опытного
автомобиля с гибридной силовой установкой для одного из
отечественных заводов. Для коллектива НИЛД было важно понять
можно ли в современных условиях при полностью разрушенной
собственной инфраструктуре, фактически находясь на полулегальном
положении, в течение ограниченного срока и ограниченном объеме
финансирования, с нуля воссоздать целую отрасль промышленности.
После этого изготовить два опытных экземпляра изделия, значительно
превышающего мировой уровень, и поставить его потребителю,
обеспечивая гарантийные обязательства. В результате коллектив
НИЛД выполнил эту задачу в установленный срок и обеспечил свои
гарантийные обязательства. Однако, отсутствие системы качества
изготовления, разовость поставки и отсутствие системности и
обеспеченности в ресурсах фактически свели все результаты к нулю,
поскольку
тема
не
имела
дальнейшего
продолжения.
Несмотря на отсутствие коммерческого успеха, что в рыночных
условиях равносильно нежизнеспособности, усилия, коллектива НИЛД
не пропали даром. Были отработаны методологические основы
проектирования
изделий
с
потребительскими
качествами,
превышающими мировой уровень, создан научно-технический задел
для прорывного развития двигателестроения в России и найдены
приемы ускоренного воссоздания отраслевой инфраструктуры для
серийного производства силовых установок и их компонентов от
нулевого состояния. Важнейшим достижением стала разработка
технического облика силовых и энергетических установок 5-го
поколения, предназначенных для плавного бесконфликтного перехода
с
ископаемых
на
возобновляемые
виды
топлив.
К сожалению усилия коллектива НИЛД не были поддержаны научнотехнической общественностью, которая в 90-е годы XX века в России
перестала существовать как созидательная сила. Также, не смотря на
многочисленные обращения, не было поддержки и со стороны
государственных структур. Осознав невозможность в одиночку решить
задачу по возрождению двигателестроения, коллектив НИЛД принял
решение о консервации созданного им задела. На этом историческая
миссия НИЛД была завершена и в середине 2005 года лаборатория
прекратила свое существование с тем, чтобы в нужный момент
времени возродиться в новом качестве для решения новых задач.
Собственный опыт и контакты с властями всех уровней убедили нас,
что наука и промышленность в России 90-х годов могла развиваться
только на общественной основе. В глобальной конкурентной борьбе за
лидирование в высокотехнологичных секторах промышленности
НИЛД был «партизанским отрядом», которые помогают в бою, но
победить в войне могут только регулярные соединения. Для того что
бы
иметь
возможность
конкурировать
с
зарубежными
производителями требуется мощный финансово-промышленный
фундамент и создание его  это одна из задач, требующих
обязательного
решения.
У коллектива НИЛД появилась новая возможность для продолжения
своих работ только в 2007 году, когда он на основе своего научнотехнического задела (НТЗ) подготовил новый материал и смог
приступить к разработке проекта «Модуль двигатели серии МДК21» .
http://rcfpi.ucoz.ru/load
Реализовывать этот проект предполагается в рамках специально
создаваемого «Исследовательского центра силовых и энергетических
установок» (ИЦСЭУ).
З з ообр зный, или р и л ный и т л — поршневой двигатель внутреннего
сгорания, цилиндры которого расположены радиальными лучами вокруг одного
коленчатого вала через равные углы. Звездообразный двигатель имеет небольшую длину
и позволяет компактно размещать большое количество цилиндров. Нашѐл широкое
применение в авиации.
Главное отличие звездообразного двигателя от поршневых двигателей других типов
заключается в конструкции кривошипно-шатунного механизма. Один шатун является
главным (он похож на шатун обычного двигателя с рядным расположением цилиндров),
остальные являются прицепными и крепятся к главному шатуну по его периферии (такой
же принцип применяется в V-образных двигателях). Недостатком конструкции
звездообразного двигателя является возможность протекания масла в нижние цилиндры
во время стоянки, в связи с чем требуется перед запуском двигателя убедиться в
отсутствии масла в нижних цилиндрах. Запуск двигателя при наличии масла в нижних
цилиндрах приводит к гидроудару и поломке кривошипно-шатунного механизма.
В зависимости от размеров и мощности двигателя звездообразные двигатели могут за счѐт
удлинения коленчатого вала образовывать несколько звѐзд — отсеков.
Четырѐхтактные звездообразные моторы имеют нечѐтное число цилиндров в отсеке — это
позволяет давать искру в цилиндрах «через один».
Д и т л
нутр нн о с ор ния с изм ня мой ст п н ю сж тия.
Ст п н сж тия
Степень сжатия — это отношение суммы объемов цилиндра и камеры сгорания к объему
камеры сгорания. С увеличением степени сжатия в камере сгорания повышаются давление
и температура, что создает более благоприятные условия для воспламенения и сгорания
горючей смеси и повышает эффективность использования энергии топлива, т.е. КПД. Чем
степень сжатия выше, тем КПД больше.
Проблем с созданием бензиновых моторов с высокой степенью сжатия нет и не было. А
не делают их по следующей причине. При такте сжатия у таких двигателей давление в
цилиндрах повышается до очень больших величин. Это, естественно, вызывает
повышение температуры в камере сгорания и создает благоприятные условия для
появления детонации. А детонация, как мы знаем (см. стр. 26) — явление опасное. Во всех
созданных до этого времени двигателях степень сжатия была постоянной и определялась
в зависимости от давления и температурного режима в камере сгорания при
максимальной нагрузке, когда расход топлива и воздуха максимальны. Работает двигатель
в таком режиме не всегда, можно сказать, даже очень редко. На трассе или в городе, когда
скорость практически постоянна, мотор работает при малых или средних нагрузках. В
такой ситуации для более эффективного использования энергии топлива неплохо бы
иметь и большую степень сжатия. Эту проблему решили инженеры SAAB — создатели
технологии SVC.
Т хноло ия SVC
Прежде всего необходимо отметить, что в новом двигателе вместо традиционной головки
блока и гильз цилиндров, которые отливались непосредственно в блоке или
запрессовывались, имеется одна моноголовка, объединившая головку блока и гильзы
цилиндров. Для изменения степени сжатия, а точнее, объема камеры сгорания
моноголовка сделана подвижной. С одной стороны она посажена на вал, выполняющий
функцию опоры, а с другой — опирается и приводится в движение отдельным
кривошипно-шатунным механизмом. Радиус кривошипа обеспечивает смещение головки
относительно вертикальной оси на 40. Этого вполне достаточно, чтобы изменять объем
камеры для получения степени сжатия от 8:1 до 14:1.
Необходимую степень сжатия определяет электронная система управления двигателем
SAAB Trionic, которая следит за нагрузкой, скоростью, качеством топлива и на основании
этого управляет гидроприводом кривошипа. Так, при максимальной нагрузке
устанавливается степень сжатия 8:1, а при минимальной — 14:1. Объединение гильз
цилиндров с их головкой, кроме всего прочего позволило инженерам SAAB придать
каналам рубашки охлаждения более совершенную форму, что повысило эффективность
процесса отвода тепла от стенок камеры сгорания и гильз цилиндров.
Подвижность гильз цилиндров и их головки потребовали внесения изменений в
конструкцию блока двигателя. Плоскость стыка блока и головки стала ниже на 20 см. Что
касается герметичности стыка, то она обеспечивается резиновой гофрированной
прокладкой, которая сверху защищена от повреждений металлическим кожухом.
Мал, да удал
Для многих может стать непонятным, как в двигатель с таким небольшим объемом
«зарядили» больше двухсот «лошадей» — ведь такая мощность может отрицательно
сказаться на его ресурсе. Создавая двигатель SVC, инженеры руководствовались совсем
другими задачами. Доведение моторесурса до требуемых норм — дело технологов. Что
касается малого объема двигателя, то сделано в полном соответствии с теорией ДВС.
Исходя из ее законов наиболее благоприятный режим работы двигателя с точки зрения
повышения КПД — при большой нагрузке (на повышенных оборотах), когда дроссельная
заслонка полностью открыта. В этом случае он максимально использует энергию топлива.
А так как двигатели с меньшим рабочим объемом работают в основном при
максимальных нагрузках, то и КПД у них выше.
Секрет превосходства малолитражных двигателей по показателю КПД объясняется
отсутствием так называемых насосных потерь. Возникают они при небольших нагрузках,
когда двигатель работает на малых оборотах и дроссельная заслонка лишь немного
приоткрыта. В этом случае при т кт пуск
цилин р х соз тся бол шо
р зряж ни — куум, оказывающий сопротивление движению поршня вниз и
соответственно снижающий КПД. При полностью открытой дроссельной заслонке таких
потерь нет, так как воздух поступает в цилиндры практически беспрепятственно.
Чтобы изб ж т н сосных пот р на все 100%, в новом двигателе инженеры SAAB
также использовали «наддув» воздуха под высоким давлением — 2,8 атм., с помощью
механического нагнетателя — компрессора. Предпочтение компрессору было отдано по
нескольким причинам: во-первых, ни один турбонагнетатель не способен создать такое
давление наддува; во-вторых, реакция компрессора на изменение нагрузки практически
мгновенная, т.е. нет замедления, характерного для турбонаддува. Наполнение цилиндров
свежим зарядом в двигателе SAAB улучшили и с помощью популярного сегодня
современного газораспределительного механизма, в котором на каждый цилиндр
приходится по четыре клапана, и благодаря применению промежуточного охладителя
воздуха (Intercooler).
§ Четырехтактные двигатели с гильзовым газораспределением.
«... Первоначально, для проведения испытаний в 1921-22 г.г. в авиационном центре
фирмы «Ройал» году были спроектирован и построены для проведения
сравнительных испытаний два двигателя: один четырехклапанный двигатель, и
другой довольно прочный одноцилиндровый одногильзовый четырехтактный
двигатель диаметром 140 мм и ходом поршня 178 мм (Рис 1). При толщине гильзы
3.18 мм он развивал 1300 об/мин. Чугунная гильза приводилась в движение
посредством консольного кривошипного пальца на валу, вращающегося в два раза
медленнее коленчатого вала. Двигатель был снабжен тремя впускными и двумя
выпускными окнами (Рис 2).
Рис. 1 и 2
Полная проходная площадь как впускных, так и выпускных окон равнялась по
площади четырехклапанной конструкции головки с тарельчатыми клапанами. Во
время испытаний подтвердилось предположение, что благодаря более быстрому
открыванию окон при гильзовом газораспределении необходимые фазы потребуются
более узкие, чем в четырехклапанных головках.
При проведении сравнительных испытаний бензиновых двигателей выяснилось, что:
1. При использовании одного моторного топлива, оптимальном опережении
зажигания (в двигателях легкого топлива) и составе смеси, двигатель с
тарельчатыми клапанами на режиме максимальной мощности работал на
границе детонации. В то время как двигатель с гильзовым газораспределением
не имел следов детонации даже при опережении зажигания, увеличенном до
значения, вызывающего падение крутящего момента.
2. В двигателе с тарельчатыми клапанами оптимальное опережение зажигания
составляло 31°, а скорость нарастания давления около 1.76 кг/см 2 град. На
двигателе же с гильзовым газораспределением оптимальное опережение
зажигания равно только 14° до в.м.т., а скорость нарастания давления 3.16
кг/см 2 град. Из чего следовало, что у первого степень турбулизации была
ниже, а у последнего даже выше оптимальной.
3. Температура поршней при равновеликой мощности была значительно ниже у
двигателя с гильзовым газораспределением.
4. Механический КПД двигателя с гильзовым газораспределением был заметно
выше, чем у двигателя с тарельчатыми клапанами, что явилось совершенно
непредвиденным обстоятельством.
5. Осмотр через открытые окна распределительной гильзы показал, что газы
внутри цилиндра находились в состоянии быстрого вращения, так как искры
от раскаленных частиц размельченного графита в виде черточек описывали
траектории по окружности цилиндра.
6. Двигатель с гильзовым газораспределением работал более устойчиво, чем
двигатель с клапанами.
7. Как и ожидалось, механический шум при гильзовом распределении был
заметно меньше, тогда как шум от сгорания был явно больше, что явилось
следствием большой скорости нарастания давления.
8. Предусмотренная смазка гильзы оказалась не нужной, т.к. брызг от масляной
системы кривошипных головок шатунов оказалось достаточно. При этом было
установлено, что гильза равномерно смазана по всей площади окружности, как
изнутри, так и снаружи гильзы, даже при резкой остановке двигателя на
полной нагрузке.
9. Расход масла в сравниваемых двигателях был почти одинаково низким.
Дополнительно выяснилось также, что в двигателе с гильзовым газораспределением
можно поднять степень сжатия на единицу (до границы появления детонации),
используя то же топливо, что и для двигателя с тарельчатыми клапанами. При работе
на высоких давлениях и степени сжатия обнаружился прорыв газов через поршневые
кольца. Первоначально кольца на поршне располагались в обычном порядке, с
верхним кольцом на расстоянии примерно 12.7 мм. от днища. В этом положении они
проходили окна в теле цилиндра, но не окна в гильзе, которые в в.м.т. при ходе
сжатия уходят выше уплотнительных колец головки цилиндра (Рис 3).
Рис. 3
Оказалось, что при высоком давлении сгорания в дизельных двигателях гильза
вспучивалась в сторону окон на величину местных деформаций, нарушая тем самым
геометрию цилиндра. После изготовления нового поршня с первой поршневой
канавкой ниже уровня окон, прорыв газов прекратился. Хотя это мероприятие себя и
полностью оправдало, было установлено, что очень большое расстояние от кромки
поршня до первого кольца тоже нежелательно. При работе с малой нагрузкой в
течение длительного времени в этом промежутке откладывался нагар, который
занимал большую часть зазора, затем, когда осуществлялся переход на полную
мощность, расширение поршня приводило к плотному прилеганию головки поршня,
что вызывало сильный задир, а иногда и заклинивание поршня.
В момент начала наполнения воздухом цилиндра двигателя впускные окна
открываются посредством углового движения гильзы, а закрываются при ее
движении вверх. В начальный период открытия поток направляется кромкой окна
цилиндра только с одной стороны и поэтому воздух поступает наклонно, заставляя
заряд вращаться в направлении противоположном вращению гильзы (Рис4).
Рис. 4 и 5
Этот тангенциальный вход устанавливает интенсивный вращающийся вихрь. Когда
открытие увеличивается, эффект уменьшается, пока в конце периода он вообще не
исчезает, и направление входа тогда определяется контуром канала, ведущего к окну.
Изменение скорости в цилиндре модели при продувке с помощью анемометра
показало результаты, соответствующие средней штриховой кривой 3 на рис 5. Две
другие кривые показывают влияние дефлектора, установленного в трубопроводе:
положение А для усиления и положение Б для ослабления начального вихря. В
последнем случае наблюдалось, что воздушный вихрь в действительности в
последней части периода впуска менял свое направление.
Было установлено, что путем установки очень маленьких направляющих во впускном
трубопроводе можно обеспечить полное управление воздушным вихрем. Для этого
изготовили специальный анемометр, который устанавливался внутри камеры
сгорания для записи средней скорости вращения воздуха при проворачивании вала.
Отношение между скоростью анемометра и скоростью вращения коленчатого вала
выражалось вихревым соотношением, т.е. если анемометр делает 4 оборота за один
оборот коленвала, то вихревое соотношение равно 4. Было найдено, что оптимальное
вихревое соотношение несколько отличается от первоначального, и находится в
пределах 1.5-2. Одно это позволило:
1.
2.
3.
4.
Увеличить среднее эффективное давление с 9,55 до 10,3 кг/см 2.
Уменьшить расход топлива с 209 до 206 г/л.с. час.
Увеличить угол опережения зажигания с 16° до 21°.
Уменьшить общий поток теплоты в охлаждающую жидкость с 70% до 64% от
теплоты, эффективной эквивалентной мощности.
Позднее было найдено, что при высоком вихревом отношении неиспаренные капли
отбрасывались на стенки гильзы, стекали в картер и разбавляли смазочное масло: это
было особенно заметно при применении топлив с относительно низкой летучестью.
Что касается конструкции, были преодолены некоторые конструктивные
затруднения, возникающие из-за залегания уплотниельных колец в головке
цилиндров. После испытания многочисленных вариантов было выяснено, что
наилучшие во всех отношениях результаты были получены при использовании
обычных стандартных колец с концами, подвергнутыми термической обработке, и
немного закругленными во избежание поломки при их прохождении окон гильзы. Их
оптимальный рабочий зазор равнялся, приблизительно 0,005Д. Для уменьшения
расхода масла внизу гильзы устанавливалось сжимающее маслосъемное кольцо. Оно
оказалось вполне эффективным и оставляло еще достаточно масла для смазки
наружной поверхности гильзы.
Вызывала недоумение высокая величина механического КПД установки,
определенная по результатам проворачиванием и подтвержденная высокими
действительными показателями, так как, не смотря на относительно тяжелые
возвратно-поступательно движущиеся части, полное трение при проворачивании
было меньше, чем у двигателя с тарельчатыми клапанами.
Трудно было предположить, что мощность, необходимая для привода гильзы, с ее
очень большой трущейся поверхностью, может быть меньше совсем незначительной
мощности затрачиваемой на привод клапанов.
Было сделано предположение, что, причина повышенного механического КПД
двигателя скрывается в самой гильзе. Ведь гильза движется относительно цилиндра
всегда почти с одинаковой угловой скоростью, что является идеальным условием для
жидкостной смазки и эта скорость относительно низкая. Казалось бы, потери на
жидкостное трение на такой большой площади должны увеличиться. Кроме этого,
при комбинированном воздействии газов, трение гильзы значительно увеличивается
в определенные периоды цикла. Например, исследование зубьев шестерен привода
гильзы показали заметно увеличенную нагрузку за период приблизительно в 120°
угла поворота коленчатого вала; соответствующие приблизительно 30° градусам
конца хода сжатия и 90° начала хода расширения. Подсчет показал, что упругая
деформация тонкой гильзы при максимальных давлениях газа достаточна, чтобы
выбрать все допускаемые рабочие зазоры, и что масляная пленка должна быть сильно
нагружена в определенные периоды цикла. Тогда как исследования зубьев шестерен
привода показало также, что увеличение нагрузки на зубья шестерен имело место и в
периоды, когда поршень двигался в одном направлении с гильзой.
Предположения подтверждались и экспериментальными данными, движущаяся
гильза — приводит к уменьшению трения поршней. Даже в то время было известно,
что в обычном неподвижном цилиндре или гильзе смазка поршня и поршневых
колец близка к граничной смазке на любом конце хода поршня. Т.е. когда
относительная скорость движения между поршнем и цилиндром стремится к нулю, и
что жидкостная смазка не возобновляется до тех пор, пока поршень не прошел
некоторую часть своего хода. Поэтому при движении гильзы, даже в то время, когда
поршень находится в покое, поддерживается жидкостное трение в продолжение всего
цикла. Это подтверждается эксплуатацией тысяч авиационных двигателей и тем
обстоятельством, что резко локализованный износ, всегда обнаруживаемый на
гильзах в двигателях с тарельчатыми клапанами в местах остановки поршневых
колец в в.м.т., отсутствует при гильзовом газораспределении.
Кроме того, более поздние исследования, когда была применена техника измерения
температуры при помощи плавких вставок, подтвердили, что и температура поршней
двигателей с гильзовым газораспределением и жидкостным охлаждением немного
ниже, чем температура поршней двигателя с тарельчатыми клапанами той же самой
мощности и размерности. На первый взгляд это может показаться неожиданным,
если иметь в виду тот факт, что теплота от поршня к охлаждаемым стенкам цилиндра
должна пройти через гильзу и масляную пленку.
Однако исследования потоков теплоты, выполненные при помощи термопар
показали:
1. При условии, что рабочий зазор между гильзой и цилиндром поддерживается
малым, движущаяся масляная пленка является очень эффективным
проводником теплоты.
2. Движение гильзы очень эффективно способствует передаче теплоты от одной
зоны цилиндра в другую и устранению локализованных зон высокой
температуры; поэтому температурный градиент по длине цилиндра намного
более плавный, чем в любом другом двигателе с неподвижной гильзой, и,
следовательно, температурный перепад на границе вода- металл значительно
ниже.
3. На основе все тех же экспериментальных данных выяснилось, что передача
теплоты от поршня к поворачивающей гильзе больше, чем к неподвижной
гильзе.
Кроме этого, в двигателях с воспламенением от сжатия, головка цилиндра не
загромождена клапанами, что дает полную свободу в выборе формы и объема камеры
сгорания, и позволяет в широких пределах регулировать движение воздуха в
цилиндрах.
Как известно в двигателях с воспламенением от сжатия давления сгорания намного
выше, чем в двигателях с искровым зажиганием, и соответственно в первых же
экспериментах, когда были получены давления порядка 84.5-105 кг/см2 произошли
поломки чугунных гильз. Одну из гильз выдуло через одно из окон в цилиндре, а в
другом случае гильза треснула от верхней кромки одного из окон до верхнего края.
После замены чугунной гильзы на сталь поломки гильз прекратились. Не смотря на
очень высокие давления газов, все же не было доказательств значительного трения
гильзы, не было и каких либо признаков разрушения привода. И бензиновая и
дизельные установки в дальнейшем показали очень высокие результаты. На
бензиновой установке с октановым числом около 60 было достигнуто среднее
эффективное давление 10.3 кг/см.2 с минимальным расходом топлива 202 г/л.с.ч (
274г/кВт.час). А на двигателе с воспламенением от сжатия ИСО средним
эффективным давлением 8.5 кг/см.2 на границе дымления и минимальный расход
топлива 161 г/л.с.ч ( 219 г/кВт.час). Позднее на таком же, только многоцилиндровом
двигателе был достигнут минимальный расход топлива всего 154 г/л.с.ч ( 209
г/кВт.час).»... это очень хорошие показатели и для современных дизельных
двигателей.
«...Рассмотрим несколько подробнее распределительную гильзу и устройство ее окон.
Рис. 6
Как видно из рис.6 вертикальное движение гильзы определяется ходом кривошипа
или коромысла, от которого она приводится. Угловое перемещение гильзы
определяется расстоянием центра сферического шарнира от оси гильзы. Если
сферический шарнир находится фактически на окружности гильзы, тогда движение
любой точки гильзы происходило бы по окружности. Если же точка привода гильзы
отодвинута от оси гильзы дальше, то движение гильзы становится все более
эллиптическим с главной осью эллипса расположенной вертикально.
Следовательно, должно быть очевидным, что есть две переменных:
1. вертикальный ход, определяющий высоту или глубину окон;
2. угловое движение, которое влияет на ширину и, следовательно, на количество
окон.
Поэтому полная располагаемая площадь окон обуславливается исключительно
вертикальным движением. Следовательно, если на половину сокращается угловое
перемещение, то можно использовать удвоенное их число. В практике, конечно, не
желательно иметь много окон, как впрочем, и мало тоже. В практике, конечно,
ширина любого окна должна быть такой, чтобы уплотнительные кольца головки
цилиндра проходили их безопасно. И в случае высоких рабочих давлений,
развиваемых двигателем, не происходило бы их выдувания через окна цилиндра —
для этого оставалось бы достаточно места для опорных поверхностей. Так, например
для восьми окон (три выпускных и пять впускных) требуется привод с достаточно
узким эллипсом. В большинстве же случаев достаточно иметь всего пять окон (три
впускных и два выпускных), тем более, что такая комбинация соответствует самому
простому кривошипному приводу. Одно окно в гильзе используется как окно общего
назначения.
На рис.6 показано типичное расположение окон вместе с диаграммой открытия окон
цилиндра и гильзы с тремя впускными и двумя выпускными окнами. D-наружный
диаметр гильзы; φ-угол поворота гильзы, равный 43,6°; Sг — вертикальный ход
гильзы; hв — высота выпускного окна; hn — высота впускного окна.
Фазы открытия окон в градусах коленчатого вала следующие:
о.вп.
—
открытие
впускного
25°
до
в.м.т.
з.вп.закрытие
впускного
50°
после
в.м.т.
о.вх.открытие
выпускного
65°
до
н.м.т.
з.вх.закрытие
выпускного
25°
после
в.м.т.
Для бензинового двигателя с Dцил. = 68.5 мм и ходом поршня L = 90 мм и с
максимальными оборотами 6000 об/мин., использовалась гильза толщиной всего S =
1,27 мм.
В дальнейшем, на базе экспериментальных установок были выпущены 6цилиндровые автомобильные двигатели фирмы Воксхолл, а также фирм Бристоль,
Центаурус, авиационные двигатели «Геркулес« (Рис.7), Впоследствии двигатель
фирмы Нэпир — «Сэйбрл», а еще позднее двигатель от фирмы Роллс-Ройс — «Игл», и
т.д.
Рис. 7
Следующим шагом в развитии двигателей с гильзовым газораспределением стала
разработка и испытания конструкций с алюминиевыми цилиндрами и блоками (в то
время еще только начинали появляться кремнисто-алюминиевые сплавы). Больше
всего сомнений было в значительных тепловых расширениях цилиндров двигателя.
Необходимо было обеспечить надлежащий рабочий зазор между гильзой и
цилиндром, чтобы можно было пустить двигатель из холодного состояния при самой
низкой окружающей температуре. И здесь важна не относительная, а абсолютная
величина теплового зазора. На двигателях с диаметром цилиндров до 127 мм и
стальной гильзе это условия были вполне приемлемыми, и обеспечивали
практически безисносную работу двигателя в течение длительного времени.
Требования снижения веса, особенно для авиационных двигателей потребовало
особого подбора материалов для пары поршень-гильза-блок. Требовались
алюминиевые сплавы для блока, что было конечно самым перспективным
направлением, особенно кремнисто-алюминиевые композиции (сплавы типа АК 4),
но это то и составляло одну из основных сложностей при постройке двигателя с
гильзовым газораспределением. А для двигателей с воздушным охлаждением, где
теплонапряженность гораздо выше, эта проблема стояла еще острее.
При постройке двигателя из легкого сплава с воздушным охлаждением гильзы стали
изготавливать из аустенитной стали; при таком сочетании материалов разница в
тепловом расширении цилиндра и гильзы уменьшилась примерно от 2,6 : 1 при
обычном алюминиевом сплаве и обычной углеродистой стали приблизительно до 1,3
: 1. Но аустенитная сталь в качестве материала для трущейся поверхности оказалась
неудовлетворительной. В то время как наружная поверхность достаточно хорошо
работала по поверхности цилиндра, она не отвечала требованиям работы поршневых
колец, которые сильно срабатывались, а на гильзе и юбке поршня образовывались
сильные задиры. Накатка, дробеструйка, и хромирование ничего не улучшило,
поэтому было принято решение временно перейти на толстостенные чугуны, которые
можно азотировать. Впоследствии фирма Бристоль, которая занималась этой
проблемой, смогла преодолеть основные сложности при мехобработке и закалке,
после которой происходило искривления гильзы. Отшлифованная чистая и очень
твердая поверхность затрудняла смазку из-за недостатка смачивания поверхности,
что представляло новую проблему, которую вновь удалось решить применением
технологии «сатин-финиш», аналога современного хонингования с последующим
суперфинишированием.
После устранения этих трудностей отлитая центробежным способом
азотированная гильза из аустенитной стали, оказалась наилучшей во всех
отношениях для всех двигателей с гильзовым газораспределением, в том
числе и для двигателей с воздушным охлаждением. Единственным
недостатком является ее низкая теплопроводность.
Двигатели с воспламенением от сжатия также обладали не плохими весовыми
показателями. Так еще в 1930 году фирма Роллс-ройс на двигателе «Кестрелл» при
весе 336 кг развивал максимальную мощность в 340 л.с. при расходе 172 г/л.с.ч (234
г/кВт.ч), что еще не являлось окончательным решением. Несколько лет спустя этот
двигатель был установлен на гоночный автомобиль установивший мировой рекорд
скорости в 270 км/час, лучший для дизельного двигателя того времени».
Двигатель с послойным распределением заряда
Единственными альтернативными двигателями, производство которых
перспективно в больших объемах уже в ближайшие годы, являются, по-видимому,
двигатель с послойным распределением заряда и легкий дизельный двигатель, которые в
отличие от более необычных двигателей, не требуют больших затрат времени на научноисследовательские и опытно-конструкторские работы и на технологическую подготовку
производства, поскольку они сродни широко распространенным двигателям с искровым
зажиганием.
Легкий дизель стали устанавливать на легковых автомобилях еще в 50-х годах, но
только кризис середины 70-х годов дал мощный толчок в направлении широкого их
внедрения на легковых автомобилях. Так, если в 1970 г. выпуск легковых автомобилей с
дизельными двигателями в ФРГ составлял менее 3%, то в 1982 г. достиг 15%, во Франции
соответственно менее 2% и около 10%. В США, начиная с 1978 г., американская
корпорация «Дженерал моторе» устанавливает на легковых автомобилях дизельные
двигатели по специальному заказу. В настоящее время в США только 3% легковых
автомобилей оснащены дизелями.
Та же корпорация планирует к 1990 г. довести производство этих двигателей до
25% от общего выпуска. Необходимо отметить, что перспективность дизеля в качестве
силовой установки для легковых автомобилей подвергается в США сомнению по двум
причинам. Во-первых, предварительные исследования наводят на мысль, что
отработавшие газы дизельного двигателя, возможно, обладают канцерогенными
свойствами. Этот вопрос, связанный с здравоохранением, имеет немаловажное значение.
В то же время, если эти опасения не подтвердятся, то:, может возникнуть другая
проблема, поскольку пока не установлено, сможет ли двигатель этого типа выполнить
стандарт на токсичность по окислам азота.
Одним из наиболее эффективных направлений улучшения технико-экономических
показателей автомобилей является применение турбонаддува, поскольку предварительное
сжатие воздуха перед его поступлением в цилиндры двигателя способствует лучшему
протеканию процессов горения.
При турбонаддуве мощность и крутящий момент дизельного двигателя может
возрасти на 20%, так как при этом возрастает плотность воздуха, поступающего в
цилиндры. К примеру, мощность двигателя легковых автомобилей «Гольф» фирмы
«Фольксваген» (ФРГ) за счет применения турбонаддува возросла с 36,5 до 52,5 кВт (с 50
до 72 л. с), а крутящий момент — с 8,2 до 12,8 кгс • м. В целом экономичность дизельных
двигателей с турбонаддувом достигается за счет их работы на обедненных смесях.
Применение дизелей особенно эффективно на грузовых автомобилях. Поэтому в
большинстве промышленно развитых стран и особенно в Европе почти все выпускаемые
автомобили грузоподъемностью более 4,5 т — дизельные. В последние десятилетия
дизельные двигатели быстро сменяют карбюраторные и на автомобилях других
категорий, а также на автобусах.
Западноевропейские страны и, в первую очередь, ФРГ и Франция являются
мировыми лидерами по производству дизельных грузовых автомобилей, причем в 1980 г.
в ФРГ до 90% их производства составляли легкие грузовики, а во Франции 70%. "
На американском рынке в секторе грузовых автомобилей, оснащенных дизельными
двигателями, в основном хозяйничают также западноевропейские автостроительные
компании. Хотя грузовые автомобили, оснащенные дизельными двигателями, и дороже,
чем бензиновые, но они дешевле в эксплуатации. Доля грузовых автомобилей средней
грузоподъемности, оснащенных дизелями в США, возросла с 5% в 1974 г. до 50% в 1981
г. [77] и, по мнению американских экспертов, эта тенденция сохранится в будущем.
В числе мероприятий, обеспечивающих уменьшение потребления жидкого топлива
в СССР и повышение эффективности автомобильного транспорта, значительная роль
отводится дизелизации автомобильного парка. Это объясняется значительными
преимуществами дизелей по сравнению с традиционными бензиновыми двигателями.
Главные из них, как уже подчеркивалось,— относительно более высокая топливная
экономичность и более низкая токсичность. Кроме того, топливо для дизельных
двигателей дешевле, чем бензин. Но дизелизация парка порождает такие трудности, как
высокий уровень дымности, влияние которого на здоровье людей пока еще слабо изучено,
а также большой шум при работе двигателя. Однако эти недостатки преодолимы, если
соблюдать правила регулировки дизелей и не допускать перегрузки автомобилей.
Одновременно требуется решить сопутствующие вопросы: повысить качество и объем
производства топливо-смазочных материалов, значительно увеличить производство
прицепов и полуприцепов, так как преимущества дизельных автомобилей наиболее полно
реализуются при их использовании в составе автопоездов.
Учитывая потребности народного хозяйства и структуру продукции
нефтепереработки, наиболее оптимальным представляется перевести на дизели до 65%
всего выпуска грузовых автомобилей и 20% легковых. Выход на такое соотношение
производства дизельных и карбюраторных автомобилей позволил бы в перспективе
сократить ежегодный расход топлива в стране примерно на 10 млн. т. Расчеты
Минавтопрома СССР показывают, что при дизелизации и том парке автомобилей,
который сложится в ближайшие 10 лет с учетом среднегодового пробега 40 тыс. км,
затраты (при ценах на дизельное и бензиновое топливо, действовавших в 1980 г.) могли
бы снизиться на 2,6 млрд. руб. Капитальные вложения на реализацию этой программы
окупятся менее чем за год [55]. Подсчеты показали также, что капиталовложения на
дизелизацию грузового автомобильного транспорта примерно вдвое эффективнее, чем на
расширение нефтедобычи. Все это диктует необходимость ускорения темпов дизелизации
и распространение ее на более широкий диапазон автомобилей, включая автобусы. В
СССР, как и во всем мире, конструкции карбюраторных двигателей и дизелей
совершенствуются параллельно, с тем, чтобы достичь их высокой эффективности и
топливной экономичности. Внедрение электроники и в первую очередь микропроцессоров
позволит снизить токсичность отработавших газов в 2—3 раза, обеспечить большую
безопасность движения, повысить топливную экономичность на 15%, увеличить
мощность двигателя на 10—15%.
В целях повышения технико-экономических параметров двигателя внутреннего
сгорания в разных странах, в том числе и у нас, разрабатываются двигатели с
непосредственным впрыском бензина (ДНВ), в которых бензин, подается циклически в
камеру сгорания или в трубопровод перед впускным клапаном каждого цилиндра в
момент их открытия.
Особенно большой эффект достигается при электронном управлении системой
питаний ДНВ.
Улучшение характеристик ДНВ по сравнению с традиционными двигателями
достигается за счет равномерности распределения топлива между цилиндрами и более
точного его дозирования при различных режимах работы.
Мощность и крутящий момент ДНВ на 15—20% больше, чем у карбюраторных
двигателей при прочих равных условиях. Так,
мощность автомобиля ВАЗ-2101, оборудованного ДНВ, возросла с 47,7 до 54 кВт
(с 65 до 74 л. с). Расход топлива при этом уменьшается за счет более полного его
сгорания.
Двигатель Брайтона
Этот двигатель был впервые продемонстрирован Брайтоном в 1873 г. Он
представлял собой цилиндровый поршневой двигатель. Сегодня термин «двигатель
Брайтона» является синонимом «газотурбинного двигателя».
На транспорте этот двигатель применяется практически только на самолетах;
однако рассматривалась возможность его использования в качестве автомобильного
двигателя, особенно в случае регенерации тепла. Двигатель с регенерацией тепла имеет
больший к. п. д. благодаря передаче тепла от выхлопных газов свежему заряду топлива
перед сгоранием. Для существенного повышения к. п. д. газотурбинного двигателя
необходимы значительно более высокие рабочие температуры газа на входе в турбину,
чем в настоящее время. Основные производители автомобилей и Министерство
энергетики США субсидируют исследования в этой области.
Гибри н я сило я уст но к
Гибри н я сило я уст но к (н прим р
томобиля Lexus RХ400h)
соч т т
с б
со р м нный
и т л
нутр нн о с ор ния,
т хноло ич ски со м щ нный с эл ктромотор ми. В с компл кс
упр ля тся эл ктронной сист мой. Гибри н я сило я уст но к
упр ля т р схо ом эн р ии
з исимости от усло ий
иж ния
томобиля.
1. Б нзино ый
и т л 2. Гибри н я тр нсмиссия 3. Г н р тор 4.
Эл ктрич ский
и т л з них кол с 5. Блок упр л ния сило ой
сист мой 6. Эл ктрич ских
и т л п р них кол с 7. Б т р я
ысоко о
н пряж ния
Н ч ло
иж ния
Для начала движения и при движении на малых скоростях используется
только
электромотор.
1. При наборе скорости батарея направляет свою энергию на блок
управления
электропитанием.
2. Блок управления направляет энергию на электромоторы, расположенные в
передней
и
задней
частях
автомобиля.
3. Передний и задний электромоторы позволяют автомобилю плавно
трогаться
с
места.
Д иж ни
При движении автомобиля в нормальном режиме привод колес
осуществляется за счет бензинового двигателя и электромоторов; энергия
двигателя распределяется между колесами и электрическим генератором,
который в свою очередь приводит в движение электромоторы. генератор
также осуществляет зарядку батареи, отдавая ему излишки энергии.
Р з он
1. Бензиновый двигатель разгоняет автомобиль, работая в нормальном
режиме.
2. Для улучшения динамики дополнительная энергия поступает от
электромотора.
3. При работе в нормальном режиме бензиновый двигатель также снабжает
энергией
генератор.
4. Генератор может направлять излишки энергии на блок управления
электропитанием.
Тормож ни
1. При торможении кинетическая энергия преобразуется в электричество.
2. Электромоторы направляют его на блок управления электропитанием.
3. Блок управления электропитанием возвращает энергию на
высоковольтную батарею. Бензиновый двигатель автомобиля работает в
обычном режиме.
Задачи гибридной силовой установки
1. Обеспечение высоких эксплуатационных характеристик и набора скорости
за
счет
мгновенной
подачи
энергии.
2. Сохранение энергии при торможении: часть энергии преобразуется в
электричество, остальное – в тепловую энергию (в сравнении с обычным
автомобилем,
у
которого
на
"тепло"
уходят
все
100%).
3. Обеспечение автомобиля самой современной системой управления
расходом
энергии.
4.
Снижение
массы
и
размеров
компонентов.
Гибридная трансмиссия
Делитель мощности в гибридной трансмиссии направляет поток мощности
туда, где она больше всего нужна. Обеспечивая максимально экономное
расходование энергии, он не только направляет всю необходимую мощность,
но и управляет совместной работой бензинового и электрического
двигателей. Бесступенчатая трансмиссия мгновенно откликается, когда
водителю нужна большая мощность.
Электрический и бензиновый источники энергии
Термин "гибридный" подразумевает сочетание бензинового и электрического
двигателей, которые приводят в движение автомобиль. Эти два источника
энергии прекрасно дополняют друг друга. Электродвигатели моментально
обеспечивают дополнительную мощность, не расходуя топливо и не
загрязняя окружающую среду. Бензиновый двигатель позволяет развить
высокую скорость на уровне современных автомобилей. Работа в системе
позволяет каждому источнику энергии работать в оптимальном режиме,
обеспечивая автомобилю прекрасные ходовые качества и топливную
экономичность.
Восстановление энергии
Один из источников экономии – снижение потребляемой энергии. Однако
гибридные технологии Lexus позволяют возвращать энергию, которая в
обычных условиях теряется безвозвратно. В частности, при торможении
электродвигатели действуют как генераторы, и с подачи блока управления
силовой установкой энергия движения "перекачивается" обратно в батарею
высокого напряжения.
Большая производительность благодаря двум источникам энергии
Гибридная силовая установка использует в своей работе два источника
энергии: бензиновый двигатель, соединенный с генератором, и электромотор,
обладающий большим крутящим моментом.
Высокопроизводительный двигатель
В качестве основного источника энергии в гибридной силовой установке
используется самый современный двигатель внутреннего сгорания. Сложная
компьютерная система осуществляет непрерывное изменение забора воздуха
в целях обеспечения оптимальных условий работы двигателя. Это не только
обеспечивает двигателю дополнительную мощность, но и способствует
значительной экономии топлива и уменьшению выбросов выхлопных газов.
При этом не увеличивается уровень шума и не возникает никаких вибраций.
Все, что чувствует водитель, – это чутко реагирующий на команды
двигатель.
Высоковольтный мотор
Усовершенствованный электромотор-генератор, соединенный с бензиновым
двигателем, обеспечивает исключительно плавный разгон, когда вы
нажимаете на педаль газа до упора. Высоковольтный электромотор
гибридной силовой установки представляет собой сложную и одновременно
компактную комбинацию электромотора и электрогенератора.
Гибридная технология
Н мно о по робн о принцип х р боты ибри ной сило ой уст но ки.
1.
Начало
движения
При трогании с места и движении на малых скоростях используются лишь
электромоторы.
2.
Нормальный
режим
движения
На трассе двигатель и электромотор работают вместе; мощность двигателя
делится между колесами и электрогенератором, который приводит в
движение электромотор. Распределение мощности корректируется для
обеспечения максимальной эффективности. При необходимости генератор
подзаряжает батарею за счет избыточной мощности двигателя.
3.Разгон
Батарея дает энергию, дополняющую мощность двигателя; двигатель и
электромоторы
обеспечивают
плавный
разгон.
4.Торможение
При торможении электромоторы работают как генераторы. Они преобразуют
кинетическую энергию в электрическую, накапливающуюся в батарее.
5.Остановка
При остановке двигатель автоматически выключается для экономии топлива
и обеспечения максимальной эффективности.
6.Началодвижения
Работают только электромоторы.
Устройство распределения электроэнергии
Сердцем устройства распределения энергии является компактный механизм
планетарной передачи. Этот планетарный механизм управляет процессом
взаимодействия бензинового двигателя, электромотора и генератора.
Механизм планетарной передачи объединяет двигатель, электрогенератор и
электромотор. Все это снижает потери на трение и обеспечивает более тихую
работу, а также более длительный срок службы автомобиля.
Энергетический центр
Гибридный "энергетический центр" является уникальной системой, которая
создает и управляет запасом электрической энергии, хранящейся в
высокотехнологичной батарее. Процесс производства и управления расходом
электроэнергии интегрирован в батарее. Ключевыми компонентами
энергетического
центра
являются:
–
мощная
–
блок
–
полупроводниковое
высокопроизводительная
батарея;
управления
энергией;
коммутационное
устройство;
– регенеративная тормозная система.
Мощная батарея
Для обеспечения энергией электромоторов и электрических систем
автомобиля гибридная силовая установка использует в своей работе
высокопроизводительную никель-металл-гидридную батарею.
Блок управления энергией и полупроводниковое устройство переключения
Блок управления энергией и полупроводниковое устройство переключения
применяются для управления потоком энергии между генератором, батареей
и электромотором. В то время как генератор и электромотор являются
устройствами переменного тока, батарея представляет собой устройство
постоянного тока. Кроме того, выходное напряжение батареи не
соответствует выходному напряжению генератора, а также величине
входного напряжения электромотора. Поэтому эти устройства осуществляют
преобразование электроэнергии согласно потребностям системы.
Регенеративная тормозная система
При торможении генератор используется для замедления движения
автомобиля. При этом он вырабатывает электроэнергию, которая хранится в
батареях. В традиционных системах энергия, которая используется для
торможения, теряется полностью. В отличие от них данная система особо
эффективна при езде в городских условиях, где часто чередуются разгон и
торможение. Без наличия традиционной коробки передач в системе
образуется намного меньше трения, поэтому большее количество
кинетической энергии может быть сохранено в виде электрической энергии.
Инвертор
Инвертор представляет собой устройство, которое преобразует постоянный
ток от аккумулятора в переменный. При преобразовании постоянного тока в
переменный он может быть использован для питания электромотора. В
гибридной силовой установке автомобиля предусмотрена высоковольтная
схема преобразования одного постоянного тока в другой, также постоянный
ток. Поскольку она повышает напряжение, происходит равномерный рост
электрической мощности при том же уровне тока, результатом чего является
более высокая производительность и повышенный крутящий момент
привода электромотора.
Система интегрированного управления динамикой автомобиля (VDIM)
Во взаимодействии с новой гибридной силовой установкой улучшение
качества
управления
автомобилем
достигается
еще
и
за
счет
модифицированной подвески, специальной электронной системы управления
и самой современной системы контроля устойчивости автомобиля и системы
интегрированного
сегодняшнего
управления
дня
такие
динамикой
системы
автомобиля
активной
(VDIM).
безопасности,
До
как
антиблокировочная система тормозов (АВS), антипробуксовочная система
(TRC), система курсовой устойчивости (VCS) и электроусилитель руля (ЕРS),
имели тенденцию развиваться отдельно друг от друга, даже если они были
установлены в одном и том же автомобиле. По существу их успешная
совместная деятельность была ограничена, а оптимальная работоспособность
не
реализована.
Система
интегрированного
управления
динамикой
автомобиля (VDIM) была разработана с целью объединения этих различных
систем,
что
автомобиля.
существенно
Более
того,
улучшило
поскольку
безопасность
обычные
и
характеристики
системы
безопасности
активируются сразу после того, как был достигнут предел технических
возможностей
наступления
автомобиля,
VDIM
активизируется
этого
еще
задолго
до
момента.
В результате расширяются рамки работы систем активной безопасности, и за
счет этого обеспечивается более мягкое и предсказуемое поведение
автомобиля, так как эти системы действуют точнее, более мягко и гибко.
Располагая полной информацией о текущем состоянии, получаемой с
датчиков, расположенных по всему автомобилю, VDIM не только объединяет
функции систем АВS, ТRC, VSC и ЕВD с электроусилителем рулевого
управления, но и управляет гибридной силовой установкой и системой
полного привода. Используя объединенный контроль над всеми элементами,
отвечающими за движение автомобиля, включая крутящий момент,
тормозное усилие и рулевое управление, VDIM не только оптимизирует
работу
тормозной
системы,
системы
курсовой
устойчивости
и
антипробуксовочной системы, но и улучшает основные динамические
характеристики автомобиля. Новая система управления динамикой не столь
"навязчива", как обычные системы контроля устойчивости, но при этом
намного более эффективна. С помощью высокоскоростной технологии
управления двигателем, тормозами и трансмиссией система управления
динамикой контролирует гибридную силовую установку, полный привод на
все колеса и систему торможения, одновременно управляя моментом
переднего и заднего электромоторов в соответствии с условиями движения, а
также стабилизирует поведение автомобиля на дорожном покрытии с низким
коэффициентом сцепления. За счет всего этого достигается безопасное и
комфортное управление автомобилем