Новый виток эволюции ДВС: супер двигатель без коленвала

Особенности роторного мотора

В основу конструкции положен ротор треугольной формы, каждая из граней которого имеет выпуклость (треугольник Рёло). Ротор вращается по планетарному типу вокруг центральной оси — статора. Вершины треугольника при этом описывают сложную кривую, именуемую эпитрохоидой. Форма этой кривой обуславливает форму капсулы, внутри которой вращается ротор.

У роторного мотора те же четыре такта рабочего цикла, что и у его конкурента — поршневого мотора.

Камеры образуются между гранями ротора и стенками капсулы, их форма — переменная серповидная, что является причиной некоторых существенных недостатков конструкции. Для изоляции камер друг от друга используются уплотнители — радиальные и торцевые пластины.

Если сравнивать роторный ДВС с поршневым, то первым бросается в глаза то, что за один оборот ротора рабочий ход происходит три раза, а выходной вал при этом вращается в три раза быстрее, чем сам ротор.

У РПД отсутствует система газораспределения

, что весьма упрощает его конструкцию. А высокая удельная мощность при малом размере и весе агрегата являютсяследствием отсутствия коленвала , шатунов и других сопряжений между камерами.

Дефект коленчатого вала: причины и симптомы

В современных машинах повреждение коленвала стало довольно-таки редким явлением. Обычно коленчатый вал может выйти из строя в основном по двум причинам: нехватка моторного масла и превышение нагрузки на двигатель. Последняя причина современным машинам не грозит, поскольку электроника контролирует все функции двигателя и отключает подачу топлива, когда двигатель начинает испытывать повышенную нагрузку. Особенно эта защита актуальна, когда стрелка на тахометре находится на красной отметке.

Получается, подобная защита является своеобразным электронным ограничением оборотов двигателя, точно так же как работает электронный ограничитель скорости, встроенный во все современные автомобили. 

Чаще же всего убить коленвал можно нехваткой моторного масла. Когда коленвалу не хватает смазки, это разрушает шатунные подшипники и затем более крупные основные подшипники, в которых вращается коленвал. Однако для наступления фактического ущерба от нехватки масла требуется довольно много времени – примерно до четверти часа, до тех пор, пока остаточное моторное масло в герметичных подшипниках не будет полностью использовано. В такой ситуации из-за сухого трения начнется разрушение подшипников и износ коленвала.

Но почему в современных автомобилях поломка коленвала – более редкое явление, чем в старых машинах? Все дело в том, что во многих современных машинах двигатели оснащены турбиной, которая быстрее выйдет из строя в случае острой нехватки моторного масла. Так что, по сути, коленвал не успеет получить критичный износ.

Тем не менее в некоторых современных автомобилях все же случается поломка коленвала, которая, как правило, дает о себе знать грохотом (громким стуком). 

Без шатунов

Десятилетиями моторостроители стремились создать конструкцию д.в.с. без возвратно-поступательного движения – вроде роторно-поршневого двигателя Ванкеля. Или же сибирский роторный («Сибирский роторный», «Турбо», 2003, №10), где вместо поршней и вовсе лопасти…

Однако со временем пришло понимание, что дело не в возвратно-поступательном перемещении поршней , а в недостатках древнего кривошипно-шатунного механизма. Надо каким-то образом избавляться от шатунов: наклоняясь к оси цилиндра, шатун создает мощную силу, прижимающую поршень к зеркалу (см. «Долгий путь к себе», «Турбо», 2002, №9). Немалые потери трения и износ – на ровном, как говорится, месте.

Проекты бесшатунных д.в.с. известны много десятков лет – знаменитый двигатель Баландина и др. К сожалению, ни один не прижился в моторостроении – и не просто так; сложная и малонадежная конструкция всякий раз оказывалась неработоспособной в реальном времени. Что ж, конструкторская мысль не стоит на месте: познакомьтесь с проектом австралийских новаторов – под названием Revetec.

Принципиальная схема двигателя: ролики на штоках раздвигают 3-вершинные кулачки и заставляют их проворачиваться. И наоборот

Новый д.в.с. обходится не только без шатунов, но и без коленчатого вала; урезАть так урезать. Как видно, противолежащие поршни соединены штоком (не шатун, поскольку не качается, не наклоняется), а между ними размещен вал с 3-вершинными кулачками. Вернее, 2 соосных вала, вращающихся навстречу друг другу, – в том-то и прикол. Ролики на штоке работают по кулачкам и заставляют их проворачиваться; у Revetec оригинальный механизм называют Trilobe.

В принципе для работы двигателя достаточно одного-единственного вала, но тогда возникают все те же крайне неприятные боковые силы. А когда кулачков 2 – и они действуют в режиме контрротации, — то боковые силы как раз взаимно нейтрализуются. Чем-то напоминает 2-шатунную конструкцию Р. Бейндла (см. «Дизелек» — «Турбо», 2008, №3), хотя вместо 2-х параллельных коленвалов у Revetec 2 соосных – и без колен.

Ранняя конструкция с пространственными штоками, соединяющими противолежащие поршни

Представьте, работает. А поршни скользят в цилиндрах без трения! Австралийцы демонстрируют один агрегат за другим; последняя модель под обозначением X4v2 построена по «крестообразной» схеме. Здесь 4 поршня и 2 штока; ролики взаимодействуют с 4-я кулачками. При диаметре цилиндров и ходе поршней 108 х 65 мм («ультракороткоходная» архитектура) рабочий объем «четверки» равен 2382 миллилитрам. Главная сложность – в синхронизации контрвращения 2-х валов; приходится применять вспомогательные валы с зубчатыми парами. Тут не исключены вибрации и шум; впрочем, известны и другие способы согласования валов.

У X4v2 двойное зажигание (по 2 свечи на цилиндр) и простенький ГРМ со штангами и коромыслами: 2-клапанные головки цилиндров. По сведениям от Revetec, со степенью сжатия 9,5 бесшатунный двигатель развивает на стенде до 94 л.с. при 3600 мин-1, наибольший крутящий момент – 202 Нм при 3 тыс. оборотов. Неплохо, а с 4-клапанным ГРМ тщательно доведенный двигатель покажет, наверное, гораздо большую отдачу, – скажем, 225 л.с. где-нибудь при 6500 мин-1.

Продвинутая «крестообразная» конструкция с плоскими штоками

Поскольку кулачки 3-вершинные, то валы делают один оборот на 6 ходов поршней (в одну сторону). Небыстро, и скорость качения роликов по рабочим поверхностям кулачков, по-видимому, не слишком высока. Создатели бесшатунного двигателя подчеркивают его дополнительное преимущество: профиль кулачков задается более или менее свободно, и его нетрудно подобрать так, чтобы на рабочем ходе наивысшее давление газов приходилось на сравнительно круто спадающий участок. То, что специалисты называют leverage – плечо рычага. От плеча опять же зависят потери трения; судя по всему, у Revetec механический к.п.д. в общем и целом выше, чем у обычных поршневых двигателей. Что и требовалось доказать.

Плоские штоки (крестом) гораздо компактней

Вообще-то «крестообразный» X4v2 задуман для легкой авиации; отсюда кое-какие особенности его конструкции. Вместе с тем новаторы настаивают на его полной пригодности для автотранспорта, а для наглядности смонтировали бесшатунный мотор на шасси 3-колки. Якобы гоняет безо всяких, хоть и не аэроплан. Самодел X4v2 тянет на 130+ кг, но по оценкам его создателей, вес промышленного изделия нетрудно сократить килограммов до 105. Его габариты – 740х550х460 мм; вроде компактный агрегат. Принцип Revetec одинаково пригоден для двигателей с искровым зажиганием – и для дизелей. Для 4-тактного цикла – и для 2-тактного. Нет вопросов; интересно, а что скажут автомобилестроители?

Лихая 3-колка с двигателем Х4v2

2012 год: двигатель с высокой степенью сжатия – воспламенение бензина от сжатия

Наука не стоит на месте. Если бы наука не развивалась, то сегодня мы бы до сих пор жили в Средневековье и верили в колдунов, гадалок и что земля плоская (хотя сегодня все равно есть немало людей, которые верят в подобную чушь).

Не стоит на месте наука и в автопромышленности. Так, в 2012 году в мире появилась очередная прорывная технология, которая, возможно, совсем скоро перевернет весь автомир.

Речь идет о двигателях с высокой степенью сжатия.

Мы знаем, что чем меньше сжимать воздух и топливо внутри двигателя внутреннего сгорания, тем меньше мы получим энергии в тот момент, когда топливная смесь воспламеняется (взрывается). Поэтому автопроизводители всегда старались делать двигатели с немаленькой степенью сжатия.

Но есть проблема: чем выше степень сжатия, тем больше риска самовоспламенения топливной смеси.

Поэтому, как правило, ДВС имеют определенные рамки в степени сжатия, которая на протяжении всей истории автопромышленности была неизменяемой. Да, каждый двигатель имеет свою степень сжатия. Но она не меняется. 

В 1970-х годах в мире был распространен неэтилированный бензин, который при сгорании дает огромное количество смога. Чтобы как-то справиться с ужасной экологичностью, автопроизводители начали использовать V8 моторы с низким коэффициентом сжатия. Это позволило снизить риск самовоспламенения топлива низкого качества в двигателях, а также повысить их надежность. Дело в том, что при самовоспламенении топлива двигатель может получить непоправимый урон. 

Но затем при массовом появлении электронного впрыска автопроизводители с помощью компьютера стали применять различные настройки, автоматически регулирующие качество топливной смеси, что позволило существенно улучшить экономичность двигателей и снизить уровень вредных веществ в выхлопе. Но главное, что удалось сделать с помощью компьютерных настроек и регулировки топливной смеси, – это снизить до минимума риск самовоспламенения топлива. В итоге со временем стало невыгодно использовать большие мощные моторы с низкой степенью сжатия.  Так автопромышленность ввела новую моду – уменьшение количества цилиндров. Чтобы сохранить мощность в моторах, автопроизводители стали использовать турбины. Но главное – благодаря электронике, которая управляет качеством топливной смеси, автопроизводители снова могут создавать моторы с большой степенью сжатия, не опасаясь самовоспламенения топлива. 

Но в 2012 году компания Mazda удивила весь мир, представив фантастический мотор SKYACTIV-G, который имеет невероятно высокий коэффициент сжатия для серийного двигателя. Степень сжатия этого мотора составляет 14:1. Это позволяет мотору извлекать энергию почти из каждой капли бензина без образования смога. 

Следующим шагом для Mazda стал новый мотор SKYACTIV-X, который использует контролируемое зажигание (система SPCCI). Благодаря этой системе появилась возможность воспламенять бензин практически за счет одного только сжатия. То есть как в дизельных моторах. Также в двигателях SKYACTIV-X есть возможность воспламенять топливо обычным образом. Причем электроника автоматически выбирает, как выгоднее воспламенять бензин в камере сгорания. Все зависит от потребностей водителя и условий движения.

Например, если вам нужна сила (крутящий момент), то двигатель SKYACTIV-X  будет воспламенять топливо от силы сжатия (почти как дизель). Если вам нужна мощность, то мотор с высокой степенью сжатия будет воспламенять топливо обычным образом. Причем реально для придания мощности будет использована последняя капля бензина.

Даже спустя столетие и даже с появлением альтернативных видов топлива, а также с появлением электрокаров двигатели внутреннего сгорания остаются главными силовыми агрегатами в автопромышленности. И несмотря на то что многие эксперты считают, что ДВС изжил себя и в скором времени должен исчезнуть из автомира, нам кажется, что двигатель внутреннего сгорания еще не развился до конца. Также мы считаем, что мир в ближайшие 100 лет все равно не будет готов полностью отказаться от ДВС, работающих на бензине.

И кто его знает, что нам подготовят автомобильные компании в ближайшем будущем. Ведь их инженеры не зря получают бутерброды с черной икрой. Вполне возможно, что уже скоро очередной автопроизводитель удивит нас какой-нибудь новой технологией в ДВС.

“Жидкий” или “воздушный”?

Как известно, в двигателестроении в период ВМВ прижились два типа двигателей. Рядные, чаще всего V-образные, двигатели жидкостного охлаждения и звездообразные двигатели воздушного охлаждения. Каждый из этих типов двигателей имеет свои достоинства и недостатки. Конкуренция между двумя типами двигателей на протяжении всей их истории весьма занимательна.

Так “воздушники” проще конструктивно (нет рубашки охлаждения). Поэтому они дешевле в производстве, проще в обслуживании, надёжнее. Так же из-за воздушного охлаждения живучее. У «жидкостника» температура охлаждающей жидкости ограничена точкой кипения. И потому для отвода еденицы тепла через радиатор требуется больший объём воздуха, чем для отвода еденицы тепла от «воздушника». Ибо температура головок цилиндров «воздушника» раза в два выше, чем температура водорадиатора у «жидкостника».

“Жидкостники” имеют другие достоинства. Малый мидель даёт плюс в аэродинамике; из-за острого носа и потенциальной возможности применения мотор-пушки улучшается компоновка фюзеляжного вооружения. В минус «воздушникам» в 20-е гг. была и неотработка капотировки. Верхом аэродинамики считалось кольцо Таунеда.

При равной литровой мощности, из-за присутствия рубашки охлаждения и охлаждающей жидкости, “жидкостник” будет тяжелее воздушника. И самолёт с “воздушником” будет легче. Для манёвренных самолётов, и в горизонтальной и в вертикальных плоскостях, были оптимальней «воздушники», для скоростных «жидкостники».

Так что каждый из типов двигателей имеет свои достоинства, объясняющие их разнообраное применение. Пока моторы были слабомощные, в истребительной авиации на первое место выходил их вес. Поэтому в 30-е годы моторостроение вступило с большим распространением “воздушников”. Тут правда сыграла и простота их производства.

Двигатель Фролова: мотор без шатунов и коленвала

Основным принципом В. Фролова, который был положен в основу его разработок, является то, что коленчатый вал является далекой от совершенства деталью. По этой причине талантливый инженер детально изучил конструкцию двигателя Баландина, после чего предложил ряд собственных доработок.

С учетом того, что недостатком бесшатунного мотора Баландина оставались повышенные требования к точности изготовления эксцентрика, на начальном этапе Фролов существенно модернизировал данный узел преобразования. Однако далее был признан факт, что полностью избавиться от недостатков схемы мотора Баландина крайне сложно.

При этом Фролов не остановился на достигнутом, а также не оставил мысль избавиться от коленвала

Дальнейшие поиски надежных и эффективных механизмов преобразования привели к тому, что изобретатель обратил внимание на механизм ткацкого станка

В результате был создан сегментно-роторный мотор, в основу которого были положены как заимствованные и доработанные, так и собственные идеи. Полученный двигатель не имеет коленвала, вместо данной детали используется механизм, который по принципу действия и своему устройству похож на шарнир разных угловых скоростей. Такое устройство более известно под названием шарнир Гука.

Вращающиеся детали в таком двигателе Фролова работают благодаря использованию подшипников качения. Что касается смазочной системы, моторное масло подается под крышки клапанов, затем стекает, осуществляя смазку и отвод лишнего тепла. Чтобы масло хорошо охлаждалось, перед двигателем также отдельно установлен масляный радиатор.

В одном моторе — два коленвала — журнал За рулем

1 апреля 2000 года

ТЕХНИКА

В ОДНОМ МОТОРЕ — ДВА КОЛЕНВАЛА

Швейцарский плотник и баварский механик решили проверить теорию практикой…

Вилли Рюффенахта и Руперта Байндла объединяло хобби: оба — страстные любители мотогонок и известны среди единомышленников своими двигателями для супербайков. В 1997 году они встретились и решили осуществить идею Руперта — создать хитрый двухвальный мотор. Теоретически такая конструкция была известна еще в тридцатые годы, но почему-то (как, впрочем, и многие другие) осталась невостребованной.

Преимущества симметричного построения очевидны. Уравновешиваются инерционные силы первого порядка, притом без балансирных валов. А значит, нет больше столь неприятной вибрации

Два вала, вращаясь в противоположных направлениях, компенсируют гироскопический момент, что особенно важно для мотоциклов. Наконец, поршень теперь не прижимается к стенкам цилиндров и потому его можно сделать гораздо короче, легче; износ колец и гильз резко сокращается, как и потери на трение

Такова теория.

Другое дело, что появляются потери в шестернях, связывающих оба кривошипа, да и число подшипников удваивается. Интересно, однако, что перевесит? Друзья-изобретатели разъехались по домам и засели в своих мастерских, чтобы в канун миллениума явить публике два двухвальных мотора, бодро тарахтящих на испытательных стендах. Швейцарский плотник Вилли после долгих раздумий и прикидок всего за три недели построил одноцилиндровый агрегат рабочим объемом 125 смз. Коленчатые валы и поршень выточил сам, блок заказал в литейной мастерской по собственному эскизу, цилиндр и головку позаимствовал у «Хонды-XL 125». Получившийся мотор в первой же попытке раскрутился до… 16 000 об/мин и работал, работал, работал… Удача окрылила Вилли — теперь в его планах двухцилиндровый литровый агрегат мощностью не менее 200 л. с.

Механик из Баварии Руперт подошел к делу основательнее. С самого начала он вознамерился выйти со своим изделием на рынок, а не только проверить теоретические постулаты. Потому пришлось заказывать расчеты специальному КБ, а затем, получив конкретные цифры, искать спонсора для постройки двигателя. Им стал риэлтор Петер Пельц, выложивший 150 000 марок за право коммерческого использования изобретения. Постройка 750-кубового одноцилиндрового двигателя заняла почти полгода, но результат стоил того. Экспериментальный образец развивает максимальную мощность 97 л. с. при 9500 об/мин и крутящий момент 77 Н.м при 8200 об/мин. Хотя потери в шестернях и подшипниках съели до 10% мощности, итогом стал все-таки пятипроцентный выигрыш по сравнению с аналогом традиционной конструкции сразу «в трех номинациях»: расходе топлива, мощности и моменте. Кстати, в этой модели цилиндр и головка полностью самодельные и тоже весьма оригинальные. Четыре клапана расположены радиально, а впускные каналы, наоборот, проходят вертикально между распределительными валами.

Заинтересуются ли новинками солидные моторостроители? Этот вопрос пока остается открытым. Но то, что уже первые блины не стали комом, внушает оптимизм.

Начинка баварского двигателя, увы, скрыта от глаз: видны лишь два коленчатых вала.

На фото справа валы (вверху) и поршень (внизу) рядового «Сузуки» в сравнении с аналогичными деталями «К2». Последние в сумме значительно легче.

В одном моторе — два коленвалаВ одном моторе — два коленвалаОшибка в тексте? Выделите её мышкой! И нажмите: Ctrl + Enter

www.zr.ru

Коленчатый вал должен выдерживать высокие нагрузки

Сегодня в современных автомобилях в двигателях используется коленвал, с каждой стороны которого находится подшипник. Со временем подшипники изнашиваются и между ними и поверхностью коленвала появляется люфт, что приводит к износу коленвала. 

К счастью, современная конструкция двигателя способна долгое время выдерживать большие нагрузки. В том числе способны выдерживать нагрузку и современные коленчатые валы. Например, в дизельном современном двигателе каждый ход шатуна испытывает от воспламенения топлива нагрузку в 10 000 кг, которая, естественно, передается на коленвал. 

Итак, на короткое время в одно мгновенье на шатуне присутствует сила, эквивалентная десяти тоннам, которая воздействует на коленвал. И это мы говорим только об одном шатуне. Вы представляете, какую нагрузку получает коленвал в восьмицилиндровом моторе? 

И это еще не все. В зависимости от конструкции двигателя коленчатые валы также подвержены вибрациям. Поэтому многие автопроизводители стараются сделать коленчатые валы достаточно прочными и долговечными. Например, коленвал может быть изготовлен из высококачественной стали. Особенно для мощных турбированных высокооборотистых дизельных двигателей.

Для атмосферного (нетурбированного) бензинового двигателя коленвал может быть уже не столь прочен. Поэтому производители часто еще недавно многие коленчатые валы изготавливали из чугуна. Сегодня же в мире наблюдается тенденция по снижению веса автомобиля. В первую очередь двигателя.

Форсаж? Форсаж. Форсаж!

Работа авиационного мотора проходит большую часть жизни далеко не на максимальных режимах. Режимов много и они предназначены для разных задач. Когда нужна максимальная дальность, когда максимальная мощность на взлёте.

Главным режимом является номинальный. Все остальные режимы двигателя отсчитываются от номинального в процентах. Режимы меньше номинального называются крейсерскими, а больше номинального, форсажными. На форсажных режимах ресурс двигателя уменьшается, а на крейсерских увеличивается. На форсажных режимах применяется богатый состав смеси что бы отодвинуть границу детонации при увеличившемся наддуве и облегчить тепловой режим двигателя. На крейсерских режимах применяется бедный состав смеси, что бы увеличить экономичность двигателя.

Распространение получили специальные форсажные жидкости. Одну группу составляют вода и водоспиртовые смеси. Эти жидкости обеспечивают интенсивное охлаждение смеси. Плюсом является увеличение заряда, попадающего в цилиндры двигателя, отодвиганием границы детонации и охлаждение самого двигателя. Эта группа применяется для форсирование на малых высотах.

Вторую группу составляет закись азота. Плюсом закиси азота является принос в цилиндры двигателя «халявного» кислорода, которого так нахватает на больших высотах. Естественно закись азота применяется для форсирования на больших высотах.

Минусами всех этих жидкостей является их вес и снижение ресурса двигателя.

Сами форсажные режимы получили наибольшее распространении в период ВМВ и в основном на истребителях. Гонка за мощностью привела к применению высокооктанового топлива (позволяющего отодвинуть границу детонации) и форсажных жидкостей.

Рассмотрим режимы двигателя.

На номинальном режиме двигатель должен работать около 40-50% общего срока службы периодами непрерывной работы не больше часа.

Взлётный режим применяется естественно при взлёте. Взлётная мощность достигается увеличением наддува и оборотов. Мощность двигателя на этом режиме составляет 110-120% от номинальной, а иногда и больше. На взлётном режиме двигатель должен работать не более 5% общего срока службы периодами непрерывной работы не более 5 мин. Ограничение вызвано недостаточным охлаждением двигателя на малой скорости.

Боевой режим применяется естественно в бою. И, как и взлётный, достигается увеличением наддува и оборотов. Мощность на таком режиме примерно равна взлётной мощности. На этом режиме двигатель должен работать не более 15-25% общего срока службы периодами непрерывной работы не более 10-15 мин.

Чрезвычайный режим применяется, естественно, в чрезвычайных ситуациях. Когда требуется от кого-то убежать или кого-то догнать. Мощность на этом режиме достигает 130-160% от номинальной мощности. И в основном достигается увеличением наддува. Тепловые и механические нагрузки на двигатель при таком режиме настолько велики, что его применение ограничивается рядом условий, а само применение ведёт к уменьшению ресурса. На этом режиме двигатель должен работать не более 3% общего срока службы периодами непрерывной работы не более 1-5 мин.

Поделитесь в социальных сетях:FacebookTwitterВКонтакте
Напишите комментарий