Зачем инженеры возвращают встречные поршни

За последнее десятилетие изобретатели в разных странах выдали кучу самых экзотических схем ДВС, некоторые даже удалось воплотить в металле. Но массовая индустрия продолжает выпускать моторы классического вида. Проблема в конструкторских просчётах новичков или в отсутствии у них финансирования?

Недавнее известие о том, что миллиардер Билл Гейтс и инвестиционная фирма Khosla Ventures решили вложить миллионы в компанию EcoMotors, проектирующую двигатели со встречным движением поршней, заставило нас детально рассмотреть заокеанскую разработку. У подобных моторов давняя история, но широкого распространения они не получили, во всяком случае на автомобильном транспорте. EcoMotors придала, казалось бы, известному блюду новый вкус.

Свой двигатель с двумя оппозитными цилиндрами, в каждом из которых работает по два встречных поршня, EcoMotors назвала незамысловато — OPOC, что значит Opposed Piston Opposed Cylinder — «оппозитные поршни, оппозитные цилиндры». В принципе, по такой схеме может работать как бензиновый мотор (или ДВС, потребляющий спирт), так и дизельный, но пока компания сосредоточила усилия на втором варианте.

Двигатель OPOC — двухтактный, так что за один оборот коленчатого вала встречные поршни каждого из цилиндров совершают рабочий ход. При движении к своим мёртвым точкам они открывают окна в стенках цилиндров. Причём один из поршней заведует впуском, второй — выпуском. На рисунке ниже их легко распознать по цветам — синему и красному соответственно. При этом окна расположены так, что выпускное открывается чуть раньше впускного и закрывается также раньше. Это важно для хорошего газообмена.

Устранение головок цилиндров, клапанов и механизма их привода упростило мотор, сделало его легче, снизило потери на трение и даже расход масла (по оценке компании, вдвое против обычного дизеля). Но ведь такими преимуществами вроде бы могут похвастать и другие двухтактные моторы со встречными поршнями?

Изюминка новинки в том, что все поршни в ней соединены с единственным центральным коленвалом, в то время как раньше схожие конструкции требовали двух коленчатых валов по краям движка. Соответственно, они были заметно крупнее и тяжелее, и неудивительно, что применение нашли в основном на тепловозах и судах. Ну а OPOC, схема работы которого представлена в ролике ниже, нацелен на куда более широкий спектр машин.

Как любой двухтактник, OPOC нуждается во внешнем устройстве, которое продувало бы цилиндры в момент открытия окон. В рассматриваемом случае конструкторы решили возложить эту обязанность на турбонаддув. Но очевидно, он не поможет при запуске мотора, а сами цилиндры «вдохнуть» и «выдохнуть» не способны.

Решение опять же нашлось в давней идее, которую ряд компаний обкатывал, но до ума никто так и не довёл. На вал классической турбинки инженеры поставили электродвигатель. При запуске и до тех пор, пока ДВС не набрал обороты, этот моторчик получает энергию от батарей, обеспечивая «дыхание» OPOC. А далее мотор отключается, и турбонаддув превращается в самый обычный. Более того, на высоких оборотах, когда поток выхлопных газов велик, электромотор в турбине может превращаться в генератор, подпитывающий батареи машины.

Новая схема, по утверждению её создателей, отличается очень хорошей продувкой цилиндров, а потому позволяет извлечь наибольшую выгоду из самого двухтактного цикла, теоретически позволяющего достичь вдвое большей литровой мощности двигателя, по сравнению с четырёхтактным. Хотя на практике такого показателя ещё не достигалось. Система OPOC обладает рядом иных любопытных особенностей.

При новой конфигурации для того, чтобы обеспечить заданный рабочий объём, каждому из поршней за один ход требуется пройти вдвое меньшее расстояние. Это означает и меньшую скорость движения при фиксированных оборотах, следовательно, и меньшие потери на трение. Всеми этими особенностями двигатель OPOC обязан в первую очередь Петеру Хофбауэру. Основатель, председатель и технический директор EcoMotors ранее много лет возглавлял разработку перспективных двигателей в компании Volkswagen. К примеру, на его счету смещённо-рядный мотор VR6 с малым (15 градусов) углом развала цилиндров. И хотя фирма EcoMotors была основана в 2008 году, сам Хофбауэр начал размышлять над OPOC на несколько лет раньше.

Компания сообщает, что OPOC в дизельном варианте на легче, чем обычный турбодизель той же мощности, содержит на 50% меньше деталей, занимает в два-четыре раза меньше места под капотом и при этом может быть (при определённых условиях) на экономичнее. Последняя цифра вызывает у специалистов самые большие сомнения, однако, даже если выигрыш в расходе преувеличен, основания для оптимистичных заявлений у EcoMotors имеются. Первый образец ДВС OPOC, по утверждению фирмы, провёл на динамометрическом стенде свыше 500 часов. Можно констатировать, что схема работает. С характеристиками дело обстоит не так однозначно. Модель EM100, которую ныне испытывают инженеры, выдаёт заявленные параметры по мощности и крутящему моменту только при настройках, не учитывающих токсичность выхлопа. Такую версию OPOC компания предлагает ставить на военную технику, для которой отношение отдачи к весу важнее прочего.

Для обычного транспорта EcoMotors предлагает настраивать те же движки несколько иначе: на 300 л.с. и 746 Н•м. Улучшение экономичности против обычных дизелей в таком случае обещано «всего» но и оно выглядит огромным шагом вперёд, так как обычно компании борются за каждый процент. Дальнейшая экономия возможна при объединении пары таких моторов в четырёхцилиндровый агрегат. То, что раньше было самостоятельным мотором, превращается в модуль. Между ними EcoMotors намерена ставить управляемую электроникой муфту. При малой нагрузке, мол, будет работать только один модуль, при большой — подключится второй. А так как OPOC хорошо уравновешен, все действующие силы тут компенсируют друг друга и мотор отличается минимумом вибраций, то и активация «спящей» половинки в любой момент пройдёт гладко.

Замысел этот похож на известное отключение цилиндров в больших двигателях. Вот только там «холостые» поршни всё равно продолжают движение вверх-вниз, здесь же половина мотора останавливается полностью, а вторая продолжает трудиться в выгодном режиме. Кроме того, в такой бинарной схеме инженеры предлагают ещё немного снизить предельную отдачу каждого модуля — до 240 «лошадок» (480 будет развивать весь агрегат). По соотношению мощности и веса это всё ещё будет очень достойный мотор, причём, мол, удастся добиться максимальной экономии горючего (тех самых 45%) и соответствия самым строгим нормам по токсичности выхлопа, уверяют разработчики.

Пока OPOC — система сырая, а её конструкторы больше раздают обещания. Но они оптимисты и приступили к расширению линейки. На чертежах уже вырисовывается двухцилиндровый мотор EM65 чуть меньшего размера и массы, чем EM100. Его, кстати, хотят перевести на бензин. Сферы же применения EM65 вполне очевидны: лёгкие грузовики и легковушки, в том числе гибриды. Определённым залогом, но не стопроцентной гарантией успеха экзотического ДВС является репутация его главного конструктора: Петер отдал Фольксвагену 20 лет жизни. И удивительно ли, к слову, что его нынешняя работа перекликается с проектами Порше, стоявшего у истоков знаменитой немецкой марки?

Принцип работы двигателя со встречным движением поршней

Уникальные двигатели с поршнями напротив друг друга: Видео

Двигатели с расположенными напротив друг друга горизонтально лежащими поршнями имеют два распространенных в мире названия. У нас их называют оппозитными моторами. На английский же манер их название звучит как «boxer engine», поскольку движение их противолежащих цилиндров напоминает боксерскую пробивку. Но на самом деле, не тому двигателю американцы дали «боксерское» название. Уж, если кто и был достоин носить такой титул, так это герой нашей сегодняшней небольшой статьи, у которого поршни и в самом деле летят на встречу друг другу, в большом едином для них цилиндре. Это силовые агрегаты со встречным движением поршней (ПДП, двигатель с противоположно-движущимися поршнями) или как их еще называют: противоположено-поршневые двигатели. Их работа действительно завораживает:

Эти силовые агрегаты насчитывают историю протяженностью более 117 лет (паровые аналоги схожей по концепции конструкции были замечены уже в конце 1800-х годов). Причем самое поразительное, что с момента появления первого экземпляра карбюраторного двигателя подобной конструкции во Франции (концепцию и рабочий прототип был разработан компанией Gobron-Brillie), до последних наработок до 2015 года включительно, компанией «Achates Power» занимающейся проблемой внедрения оппозитно-поршневых силовых агрегатов, этот тип двигателей непрерывно улучшался и множество раз попадал в поле зрения как гражданских (редко), так и военных производителей (чаще всего, разработки для военных ведутся по сей день). Но реальной популярности уникальный поршневой двигатель внутреннего сгорания так и не добился.

Интересно, что большой вклад в такую необычную конструкцию ДВС внес инженер Коломенского завода, Раймонд Александрович Корейво, построивший первый в мире дизельный прототип подобного двигателя. Модель оказалась настолько удачной, что немецкая компания Junkers не смогла устоять от соблазна перенять конструкцию. Не остановил немцев даже патент, дальновидно полученный русским инженером во Франции. Патентное право в те времена в будущем ЕС работало не очень хорошо.

Далее и параллельно с этим конструкция двигателей развивалась в США, Англии, Германии. Позднее, работы по модернизации и применению моторов на военной технике, в том числе на самолетах, судах и танках проводились в СССР.

По своей конструктивной сути, двигатель внутреннего сгорания с движущимися навстречу друг другу поршнями, это двухтактный мотор без головки блока цилиндров у которого установлены два отдельных коленчатых вала, на которых две пары поршней соединены с поршнями, работающими в одном цилиндре.

Поршни встречаются (зазор при работе получается настолько минимальный, что они буквально касаются друг друга) в центре цилиндра. Там расположена верхняя мертвая точка (ВМТ) обоих поршней. Топливовоздушная смесь подается через отверстия по бокам цилиндра. Через них же, выпускаются отработавшиеся газы, толкаемые движением поршней.

Вот упрощенная схема работы данного типа ДВС:

Поскольку эти двигатели двухтактные, они редко использовались в автомобильной промышленности, поскольку не соответствовали элементарным экологическим допускам и подходили только для дешевых автомобилей низшего класса в прошлом. Они много дымили, надрывно рычали, но ехали посредственно.

К минусам также можно было отнести повышенный расход топлива и сложность конструкции с двумя кривошипами двухпоршневой системы. Это сделало конструкцию прошлых лет неоправданно дорогой и сложной в изготовлении по сравнению с небольшими компактными двухтактными моторами.

Однако, со современными материалами и опытом доводки более чем столетней конструкции у подобных поршневых ДВС есть и неоспоримые преимущества. Так, прототипы дизельных двигателей с вертикально ориентированными цилиндрами от компании Achates Power имеют крайне высокую степень тепловой эффективности, от 40 до 50%, в основном за счет меньшей площади стенок цилиндров. При условии, что обычный четырехтактный дизельный мотор обладает лишь 35 процентной эффективностью, прибавка в 5 или даже 15% является значительной.

Плюс к этому, конструкция облегчается и несколько упрощается за счет отсутствия головки блока цилиндров, коромысел распредвала, клапанов, пружин клапанов и т.д.

У мотора также лучшее соотношение внутреннего диаметра цилиндра к ходу поршня, что позволяет совершать максимально большое количество полезной работы. Смешивание и возгорание смеси здесь происходит быстрее.

Achates Power в настоящее время разрабатывает двигатели для военных автомобилей, но они выпустили видеоролики, которые свидетельствуют о том, что массовое производство дизельных двигателей также может быть не за горами:

У 2.7-литрового дизельного ДВС 270 л. с. (!) и 650 Нм крутящего момента.

В общем, интересно, как современные инженеры решат давние проблемы концепции у истоков которой стояли французы и русские изобретатели и каким образом двухтактные движки смогут быть использованы на гражданских транспортных средствах, при том условии, что экологические нормы постоянно ужесточаются, а экология этих ДВС никогда не была на высоте.

Привет студент

Газообмен в двухтактных двигателях

Типы продувок.

Способ продувки, называемый поперечно-щелевой (рис. 91,а). Его особенность заключается в том, что выпускные 3 и продувочные 4 окна расположены с разных сторон втулки цилиндра. Они соединены соответственно с выпускным коллектором 2 и с ресивером продувочного воздуха 5. Продувочным окнам придан наклон вверх, в связи с чем воздух движется сначала к крышке цилиндра, затем, вытесняя отработавшие газы, меняет направление на обратное.

Чтобы к моменту открытия продувочных окон давление в цилиндре успело снизиться и стать ниже давления продувочного воздуха, выпускные окна 3 предусмотрены выше продувочных 4. Однако в этом случае поршень 1, двигаясь вверх, закроет сначала продувочные окна, выпускные будут еще частично открыты Процесс продувки после закрытия продувочных окон заканчивается, следовательно, через неполностью закрытые выпускные окна будет выходить (частичная утечка) свежий заряд воздуха. Чтобы избежать это явление, у крупных двигателей выпускные и продувочные окна выполняют одинаковой высоты, но в ресивере продувочного воздуха ставят невозвратные клапаны, которые предотвращают заброс отработавших газов из цилиндра в ресивер при открытии окон; продувка начнется лишь при падении давления в цилиндре после открытия выпускных окон. При движении же поршня вверх продувочный воздух будет поступать до момента закрытия и тех и других окон. С той же целью в некоторых крупных двигателях на выпускном патрубке ставят приводной золотник, привод которого регулируют так, чтобы в момент перекрытия поршнем продувочных окон золотник перекрыл выпускные.

Способ поперечно-щелевой продувки широко распространен вследствие его простоты. В двигателях морского флота встречается петлевая продувка (рис. 91,6). Выпускные 3 и продувочные 4 окна расположены с одной стороны цилиндра, причем выпускные — над продувочными. Выпускной коллектор 2 и ресивер продувочного воздуха 1 находятся с одной стороны двигателя. При таком расположении окон продувочный воздух омывает цилиндр по всему контуру, начиная с днища поршня 5. Это очень важно, так как продувочный воздух охлаждает днище поршня. В данном случае продувочным окнам придан небольшой наклон вниз, а днищу поршня — вогнутая форма.

Качество очистки цилиндра при петлевой продувке несколько выше, но утечка свежего заряда больше, чем при поперечно-щелевом способе продувки. Поэтому в двигателях большой мощности на выпускных патрубках ставят золотники, перекрывающие вы пускной патрубок по окончании продувки.

При рассмотренных схемах продувки в цилиндре движутся встречные потоки воздуха и выпускных газов, вследствие чего воздух и газы перемешиваются. В местах изменения направления движения воздуха появляются вихри, в связи с чем там остаются отработавшие газы. Поэтому качество очистки цилиндря в таких двигателях ниже, чем в четырехтактных.

Рис. 91 Способы контурных продувок

Качественная (не уступающая очистке в четырехтактных двигателях) очистка цилиндра обеспечивается при прямоточных способах продувки. Суть способа заключается в том, что выпуск газов происходит с одного конца цилиндра, а впуск продувочного воздуха — с другого. Это достигают установкой в крышке цилиндра выпускных клапанов 1 (рис. 92,а). Поршень 2 открывает лишь продувочные окна а, а клапаны 1 открываются с помощью привода, как и у четырехтактных двигателей. Продувочные окна а расположены по всей окружности цилиндра, причем им придан тангенциальный наклон для образования спирального вихря продувочного воздуха. Ресивер продувочного воздуха б опоясывает втулку цилиндров по всей окружности.

Рис. 92 Способы прямоточных продувок

Так, прямоточно-клапанный способ продувки применен в двигателях 10Д40, имеющих наибольшую на речном флоте агрегатную мощность.

В дизелях большой мощности широко применяют также прямоточно-щелевой способ продувки (рис. 92,6). В цилиндре предусмотрены два поршня: верхний 5 и нижний 7. Верхние поршни двигателя работают на верхний коленчатый вал 4, а нижние — на основной нижний вал 8. Валы сообщены вертикальным валом 3 и коническими шестернями. Верхний поршень 5 открывает и закрывает продувочные окна в, а нижний — выпускные г. Поршни движутся противоположно. Когда они сходятся к внутренней мертвой точке, в цилиндре происходит сжатие и форсунка 6 впрыскивает топливо. Затем под давлением газа поршни расходятся, открывая в конце хода расширения выпускные (поршень 7) и впускные (поршень 5) окна. Рассмотренный способ продувки предусмотрен в отечественных тепловозных двигателях Д100.

Двигатели с противоположно движущимися поршнями (ПДП) строят и многорядными.

Так, в отечественном дизеле марки 58 (16ДНП23/2Х30, 16ДРПН23/2Х30) мощностью 3312 кВт при частоте вращения 643 мин -1 два ряда цилиндров с ПДП при четырех коленчатых валах Встречаются двигатели ПДП с другими кинематическими схемами треуголь

ные («дельтик») с тремя рядами цилиндров и тремя коленчатыми валами, ромбовидные с четырьмя рядами, четырьмя валами и др.

При прямоточном способе продувки легко осуществить дозарядку цилиндра, если предусмотреть закрытие выпускных окон или клапанов раньше продувочных. У двигателей с ПДП для этого верхний и нижний кривошипы располагают под углом, отличным от 180°, ходы поршней делают разными.

Диаграммы газораспределения. Так как рабочий цикл двухтактного двигателя совершается за 360° п. к. в., диаграмма его газораспределения имеет вид кольца (рис, 93). При простейшем способе поперечно-щелевой или петлевой продувки (рис 93, а) угол характеризующий продолжительность выпуска, всегда больше угла а3 продувки выпускные окна открываются раньше, а закрываются позднее продувочных. При прямоточных и некоторых других способах продувка может быть закончена даже позднее выпуска. Поэтому продолжительность впуска (угол а 3> рис. 93,6) может быть больше продолжительности выпуска (угол а2) В этом случае по окончании выпуска происходит так называемая дозарядка цилиндра.

В обеих диаграммах (см. рис. 93) угол а1 является углом опережения подачи топлива.

Рис. 93 Диаграммы газораспределения двухтактных дизелей

Рис. 94 Поршневой продувочный насос

Рис. 95 Схема работы роторного продувочного насоса

Поршневой продувочный насос

Продувочный воздух вырабатывают продувочные насосы. В простейшем варианте таким насосом может быть кривошипная камера (т. е. картерное пространство) при условии, что двигатель одноцилиндровый или кривошипные камеры цилиндров разобщены. При движении поршня вверх в кривошипной камере создается разрежение и в нее засасывается из атмосферы воздух. При движении поршня вниз сжимаемый поршнем в камере воздух поступает через канал и продувочные окна в цилиндр.

В судовых дизелях устанавливают специальные продувочные насосы — поршневые, роторные или центробежные— с приводом от коленчатого вала, создающие избыточное давление воздуха 10—50 кПа.

Поршневые насосы используют для тихоходных двигателей, причем иногда (рис. 94) их изготовляют с двумя поршнями на одном штоке (тип тандем). Цилиндр 10 насоса промежуточном днищем 14 разделен на две полости, каждая из которых является насосом двойного действия. Соответственно этому на штоке 4 насоса закреплены два поршня: верхний 11 и нижний 16. Шток соединен с крейцкопфом 3 и приводится в движение шатуном 2 от приставного кривошипа 18 коленчатого вала.

В цилиндре насоса установлены секции пластинчатых клапанов: всасывающих 5, 6, 9 и нагнетательных 12,

13, 15, 17. К всасывающим клапанам по патрубку 8 поступает воздух из атмосферы; от нагнетательных клапанов он направляется в полость а и из нее—в ресивер.

Если поршни будут двигаться вниз, в верхних полостях будет происходить всасывание. Атмосферный воздух через клапаны 6, 9 поступит в верхние полости, а из нижних нагнетаемый воздух пройдет через клапаны 13, 17 в полость а и далее в ресивер продувочного воздуха.

После того как поршни из н. м. т. начнут двигаться вверх, воздух будет засасываться через клапаны 5 и 7 в нижние полости, а из верхних полостей нагнетаемый воздух пойдет через клапаны 12 и 15 в ресивер.

Конструкция всасывающих и нагнетательных клапанов одинаковая. Они состоят из ряда пластин 1, закрепленных одним концом на корпусе 19. При движении воздуха из внутренней части корпуса 19 пластины отгибаются и пропускают его. Обратное движение воздуха невозможно, так как пластины ложатся на корпус, закрывая проходные щели. Над пластинами установлены отбойники 20.

Роторный продувочный насос. Некоторые двухтактные двигатели оборудованы роторными продувочными насосами.

На рис. 95 изображена схема роторного насоса, установленного в двигателях Д100 и 37Д. Внутри корпуса 1 расположены два трехлопастных ротора 2 и 3. Валы, на которые насажены роторы, сцеплены внешними шестернями и вращаются синхронно. Зазоры между роторами 2 и 3 и стенками корпуса и роторами небольшие.

При вращении роторы переносят воздух в направлении, показанном стрелками. Сравнивая приведенные на рис. 95 три последовательных положения роторов, можно установить, что затушеванная площадь справа от роторов уменьшается, т. е. они вытесняют воздух в ресивер. В то же время площадь слева увеличивается (из сравнения положения I с положениями II и III), т. е. происходит всасывание. Продувочный насос такого типа может быть только у нереверсивного двигателя.

Скачать реферат: У вас нет доступа к скачиванию файлов с нашего сервера. КАК ТУТ СКАЧИВАТЬ