Вступление.
Несмотря на постоянно сокращающиеся возможности совершенствования современных поршневых двигателей, большое внимание, по-прежнему, уделяется наиболее широко применяемому четырехтактному рядному бензиновому двигателю внутреннего сгорания. При этом характерно использование богатого опыта разработок современных ДВС, а также стремление улучшить способы их размещения в автомобиле.
С точки зрения повышения КПД двигателя, целесообразно использовать большой объем цилиндра. В этой связи наиболее предпочтителен одноцилиндровый двигатель, обычно применяемый в мопедах и мотоциклах. Большим недостатком одноцилиндрового двигателя является его неуравновешенность, особенно поступательно движущихся масс. У малоразмерных двигателей масса поршня невелика и вызываемые ею действующие по оси цилиндра силы инерции, частично могут быть уравновешены противовесами на коленчатом валу. Вращающиеся противовесы вызывают силы инерции, действующие в горизонтальной плоскости, однако при вертикальном положении оси цилиндра мотоцикла они относительно невелики и такой способ уравновешивания двигателя вполне приемлем.
В двигателях с цилиндром большего размера требуется, однако, хорошее уравновешивание сил инерции I и II порядка возвратно-поступательно движущихся масс. Это осуществляется двумя парами противовесов, вращающихся в противоположном направлении, причем для уравновешивания сил инерции II порядка частота вращения противовесов должна быть в 2 раза больше частоты вращения коленчатого вала. Уравновешивание сил инерции I порядка существенно усложняет двигатель, а сил инерции II порядка — неприемлемо с позиции стоимости автомобиля.
Разное количество цилиндров.
Существуют конструкции одноцилиндровых двигателей без кривошипно-шатунного механизма с одним возвратно-поступательно движущимся поршнем. В этом случае для уравновешивания сил инерции поршня необходима другая масса, движущаяся также поступательно в противоположном направлении по той же оси. Это привело к размещению противовеса по оси цилиндра и приводу его кривошипно-шатунным механизмом. В двухтактных двигателях противовес использовался в качестве нагнетателя. Такая схема нашла применение в двигателе мотоцикла «DKW» и дизелях «Юнкерс» (ФРГ).
При размещении обоих поршней по одной оси получается длинный двигатель со сложным кривошипно-шатунным механизмом. При несоосности поршней, кроме того, возникают неуравновешенные моменты от их сил инерции.
Поэтому гораздо чаще применяют конструкцию двухцилиндрового двигателя с противолежащими цилиндрами (оппозитный двигатель), в которых поршни движутся навстречу друг другу. Условие соосности цилиндров можно выполнить путем применения, например, вильчатого шатуна в одном из цилиндров. При традиционной конструкции шатунов возникающий момент сил инерции I порядка снижают минимизацией величины несоосности цилиндров. Такое решение с успехом применяется в легковых автомобилях особо малого класса («Ситроен», «Татра 12» и др.) и в качестве примера на рис. 1 представлена силовая установка автомобиля «Ситроен 2CV», в которой использован оппозитный двухцилиндровый бензиновый двигатель воздушного охлаждения с цилиндрами из алюминиевого сплава, имеющими износостойкое покрытие на никелевой основе «Никозил». За вентилятором системы охлаждения расположен масляный радиатор.
Рис. 1. Силовая установка автомобиля «Ситроен 2CV» с двухцилиндровым оппозитным двигателем воздушного охлаждения
Следующее ближайшее число цилиндров двигателя равно трем. До последнего времени такое число цилиндров встречалось только у двухтактных двигателей. В этом случае речь идет не столько об уравновешивании, сколько о трудностях охлаждения двухтактных цилиндров с рабочим объемом более 350 см3. У цилиндров с большим объемом возникает неравномерное поле температур днища поршня, пригорание поршневых колец, большие температурные деформации цилиндра, выпучивание перегородок между цилиндровыми окнами и т. д.
Рис. 2. Система уравновешивания трехцилиндрового двигателя «Дайхатсу»
Интерес к трехцилиндровым четырехтактным двигателям появился в процессе поиска повышения индикаторного КПД путем увеличения размера цилиндра. Трехцилиндровый рядный двигатель плохо уравновешен. Наименее уравновешены моменты сил инерции I порядка. Так как требования к уровню вибраций и шуму в автомобиле постоянно возрастают, то у трехцилиндрового двигателя, применяется дополнительный вал для уравновешивания моментов сил инерции I порядка с помощью вращающихся в противоположные стороны противовесов на коленчатом и уравновешивающем валах. Такой способ уравновешивания трехцилиндрового японского двигателя «Дайхатсу» показан на рис. 2.
В четырехцилиндровом рядном двигателе не уравновешены силы инерции II порядка. Однако они относительно невелики и могут быть погашены до приемлемого значения подвеской двигателя.
У тракторов с четырехцилиндровым двигателем, который образует часть рамы, вибрация двигателя через нее переносится на сиденье тракториста, поэтому силы инерции II порядка необходимо уравновесить.
У автомобилей с четырехцилиндровым двигателем, которые по уровню вибраций и шума должны конкурировать с автомобилями, оснащенными шестицилиндровым двигателем, также необходимо уравновесить силы инерции II порядка. На рис. 3 показана такая система уравновешивания, в которой применены два вспомогательных уравновешивающих вала, приводимые коленчатым валом и вращающиеся с удвоенной по отношению к нему частотой вращения. В приводе одного из валов размещена пара шестерен, обеспечивающих различные направления вращения валов. Противовесы расположены в середине двигателя, что не вызывает каких-либо дополнительных неуравновешенных моментов.
Рис. 3. Система уравновешивания сил инерции II порядка рядного четырехцилиндрового двигателя.
Целесообразность применения пятицилиндровых двигателей была рассмотрена ранее; шестицилиндровый рядный двигатель полностью уравновешен. Двигатели с другим расположением цилиндров, например, четырехцилиндровые и шестицилиндровые двигатели с V-образным расположением цилиндров уравновешиваются рассмотренными выше способами. Обычно они применяются в тех случаях, когда к двигателю предъявляются такие требования, как небольшая его длина или высота. Двигатели со звездообразным расположением цилиндров имеют небольшую массу и длину, но их конструкция не подходит для применения в автомобилях вследствие сложного устройства механизма газораспределения, впускного трубопровода, слива масла, доступности при обслуживании и. д.
Двигатель Ванкеля.
Несколько лет назад появился роторно-поршневой двигатель Ванкеля, имеющий оригинальную конструкцию с треугольным ротором, вращающимся относительно эксцентрикового вала. Ротор через зубчатую передачу с внутренним зацеплением приводит в движение эксцентриковый вал, частота вращения которого втрое больше частоты вращения ротора. Форма внутренней полости корпуса двухэпитрохоидная, так что между ротором и корпусом образуются три камеры, в которых осуществляется цикл, аналогичный циклу поршневых двигателей. В части уравновешенности речь идет о силах инерции вращающихся масс, которые можно полностью уравновесить противовесами эксцентрикового вала. При создании конструкции этого двигателя возникали трудности с герметизацией уплотняющих пластин ротора, с каналами систем газообмена, смесеобразованием и т. д. Двигатель обладает преимуществами в части уравновешенности, имеет небольшое число деталей и малую массу. Однако у него неблагоприятная с позиции тепловых потерь форма камеры сгорания, что является причиной относительно низкого индикаторного КПД и большого удельного расхода топлива. Отсутствие поступательно движущихся масс, больших поверхностей трения и большого числа подшипников улучшает механический КПД, что несколько компенсирует большие тепловые потери. Следует иметь в виду, что хотя роторно-поршневой двигатель находится в начале своего развития, он уже достаточно хорошо зарекомендовал себя [2].
В части содержания вредных веществ в отработавших газах роторно-поршневой двигатель имеет как преимущества, так и недостатки. Преимущества состоят в том, что в связи с наличием более низких температур сгорания в роторно-поршневом двигателе образуется меньшее количество NOx. Условия образования CO и CHx аналогичны условиям в поршневых двигателях. Однако большая поверхность камеры сгорания и смазывание рабочей поверхности ротора добавлением масла в топливо (как у двухтактных двигателей) приводят к повышенному содержанию CO и CHx, устраняемых в термическом реакторе. Чтобы при характерной для этого двигателя пониженной температуре отработавших газов температура в реакторе сохранялась на нужном уровне, короткие выпускные трубопроводы имеют теплоизоляцию, как это показано на поперечном разрезе двигателя японской фирмы «Тойо Когё» (Япония) на рис. 4.
Рис. 4. Роторно-поршневой двигатель японской фирмы «Тойо Когё» с термическим реактором.
Дальнейшие разработки двигателя Ванкеля этой фирмой (см. рис. 5) вызывают большой интерес, особенно системы создания расслоенного заряда ROSCO и CISC. При частичной нагрузке воздух подается в камеру не через основной канал, а по малому дополнительному впускному каналу. Это улучшает перемешивание смеси, позволяет получить более бедную смесь и снизить расходы топлива. В системе ROSCO впрыск бензина осуществляется непосредственно в камеру механическим насосом через установленную в корпусе двигателя форсунку. При таком смесеобразовании в камере сгорания ротора к моменту подачи искры свечой зажигания может образоваться расслоенный заряд, если основная часть воздуха поступает по впускному каналу, а через дополнительный малый канал с тангенциальным входом воздух, вдуваемый с большой скоростью в камеру сгорания, завихривает рабочую в смесь в ней.
Как видно, двигатель Ванкеля может быть улучшен, и, по-видимому, он займет надлежащее место в ряду двигателей внутреннего сгорания [2].
Каждый из типов двигателей имеет свои достоинства и недостатки: один двигатель ценится за достаточно хорошую систему охлаждения, другой — за ее отсутствие вовсе. В одном типе двигателей предпочтение отдается только поступательному движению поршня, в другом — только вращательному. На практике применение находят равно как двенадцатицилиндровый, так и одноцилиндровый четырехтактный двигатели.
Рис. 5. Схема роторно-поршневого двигателя фирмы «Тойо Когё» с системой расслоения заряда ROSCO:
1 — топливная форсунка; 2 — входное отверстие дополнительного впускного канала; 3 — основной впускной канал; 4 — дополнительный впускной канал; 5 — корпус двигателя; 6 — ротор; 7 — свеча зажигания; 8 — камера; 9 — насос.
Двигатель Стирлинга.
Важным новым источником механической энергии для привода автомобиля является двигатель Стирлинга. Он почти неизвестен, существуют только его прототипы [2], поэтому можно дать лишь беглое описание его принципа действия и конструкции. В первоначальном виде он существовал как тепловая расширительная машина, в цилиндре которой рабочее тело, например, воздух, перед сжатием охлаждался, а перед расширением — нагревался. Схема и принцип действия такого двигателя показаны на рис. 1.
Рис. 1. Схема и принцип действия двигателя Стирлинга:
1 — цилиндр; 2 — охлаждающая рубашка; 3 — рабочий поршень; 4 — вытеснитель; 5 — шток вытеснителя.
В верхней части цилиндра 1 имеется водяная охлаждающая рубашка 2, а дно цилиндра постоянно нагревается пламенем. В цилиндре размещен рабочий поршень 3 уплотненный поршневыми кольцами и соединенный шатуном с коленчатым валом (на рисунке коленчатый вал не показан). Между дном цилиндра и рабочим поршнем находится поршень-вытеснитель 4, который перемещается в цилиндре с большим зазором. Заключенный в цилиндре воздух через этот зазор перекачивается вытеснителем 4 либо к днищу рабочего поршня, либо к нагреваемому дну цилиндра. Вытеснитель приводится в движение штоком 5, проходящим через уплотнение в поршне, и приводимым эксцентриковым механизмом, который вращается с углом запаздывания около 90° по сравнению с механизмом привода рабочего поршня.
В положении а поршень находится в НМТ (нижняя мертвая точка) и охлаждаемый стенками цилиндра воздух заключен между ним и вытеснителем. В следующей фазе б вытеснитель движется вверх, а поршень остается в НМТ. Воздух между ними выталкивается через зазор между вытеснителем и цилиндром к дну цилиндра и при этом охлаждается стенками цилиндра. Фаза в является рабочей, в течение которой воздух нагревается горячим дном цилиндра, расширяется и выталкивает оба поршня вверх к ВМТ (верхняя мертвая точка).
После совершения рабочего хода вытеснитель возвращается в нижнее положение к дну цилиндра и выталкивает воздух через зазор между стенками цилиндра в камеру под поршнем, воздух при этом охлаждается стенками. В положении г холодный воздух подготовлен к сжатию, и рабочий поршень движется от ВМТ к НМТ. Поскольку работа, затрачиваемая на сжатие холодного воздуха, меньше работы, совершаемой при расширении горячего воздуха, то возникает полезная работа. Аккумулятором энергии, необходимой для сжатия воздуха, служит маховик.
В описанном исполнении двигатель Стирлинга имел низший КПД, так как теплоту, содержащуюся в воздухе после совершения рабочего хода, необходимо было отводить в охлаждающую жидкость через стенки цилиндра. Воздух в течение одного хода поршня не успевал охлаждаться в достаточной степени, и требовалось увеличить время охлаждения, вследствие чего частота вращения двигателя также была небольшой. Термический КПД, который зависит, как говорилось ранее, от разницы максимальной и минимальной температур рабочего цикла, был также небольшим. Теплота отработавшего воздуха отводилась в охлаждающую воду и полностью терялась.
У обычных кривошипно-шатунных механизмов при высоком давлении на поршень и больших углах отклонения шатуна возникают большие боковые силы, действующие на поршень и являющиеся причиной больших потерь на трение и большого износа. При применении крейцкопфа или же ромбического механизма это отрицательное явление устраняется и можно достичь хорошего уплотнения поршней.
Чтобы штоки не передавали большие усилия на коренные и шатунные подшипники коленчатых валов, под рабочим поршнем поддерживается противодавление, равное среднему рабочему давлению в цилиндре, оно составляет около 20 МПа.
Зависимость индикаторного КПД ηi от удельной литровой мощности Nуд одноцилиндрового двигателя Стирлинга мощностью 165 кВт показана на рис. 2. Температура в подогревателе равна 700 °C, охлаждающей жидкости — 25 °C. Рабочее давление газа составило 11 МПа.
Рис. 2. Зависимость индикаторного КПД ηi двигателя Стерлинга от его удельной литровой мощности при различных видах рабочего тела. Цифры на кривых — частота вращения двигателя в мин-1.
На диаграмме показаны зависимости для трех видов рабочего тела: воздуха, гелия и водорода. Точки с числами на кривых обозначают соответствующую частоту вращения (в мин-1). Видно, что наибольшие значения КПД достигаются при низких значениях удельных мощностей. Заметно также большое различие показателей двигателя при использовании вместо воздуха водорода.
Высокое давление рабочего тела, действующее в двигателе Стирлинга, требует наличия толстых стенок картера и цилиндра. При применении водорода в качестве рабочего тела масло не должно попадать в рабочее пространство и поэтому необходимо иметь высокогерметичное уплотнение штока поршня. Хорошо зарекомендовало себя цилиндрическое диафрагменное уплотнение в сочетании с масляной подушкой (рис. 3). Диаметры d и d2 выбраны так, чтобы объем масла под диафрагмой сальника не изменялся при перемещении штока. Маслосъемное поршневое кольцо C выполняет функцию насосного элемента, а регулятор R поддерживает давление масла под диафрагмой на уровне среднего давления газа в цилиндре.
Рис. 3. Уплотнение штока поршня:
C — насосное кольцо; R — регулятор давления.
Схематический поперечный разрез двигателя Стирлинга с ромбическим механизмом приведен на рис. 4. Это двигатель первого поколения, имеющий картер с высоким избыточным давлением. Двигатель Стерлинга постоянно совершенствуется и его четырехцилиндровая модель второго поколения уже имеет поршень двойного действия. Соединение горячей верхней камеры одного цилиндра с холодной камерой под поршнем соседнего цилиндра позволяет достичь необходимого изменения объема без отдельного поршня-вытеснителя. У четырехцилиндрового двигателя сдвиг между кривошипами поршней соседних цилиндров составляет 90°, что весьма нежелательно.
1 — выход воздуха из подогревателя; 2 — кольцевая камера сгорания; 3 — горячая камера цилиндра; 4 — вход воздуха в подогреватель; 5 — поршень-вытеснитель; 6 — цилиндр; 7 — камера сжатия (холодная камера) цилиндра; 8 — шток поршня-вытеснителя; 9 — рабочий поршень; 10 — шток рабочего поршня; 11 — траверса рабочего поршня; 12 — шатун рабочего поршня; 13 — шатун поршня-вытеснителя; 14 — траверса поршня-вытеснителя; 15 — топливная форсунка; 16 — горелка; 17 — подогреватель; 18 — трубки подогревателя; 19 — ребра цилиндра; 20 — регенератор; 21 — трубки радиатора; 22 — камера противодавления; 23 — противовес; 24 — приводная шестерня; 25 — коленчатый вал.
Рис. 6. Схематический разрез одноцилиндрового двигателя Стерлинга:
Производство двигателя Стирлинга требует технологии, совершенно отличной от технологии производства двигателей внутреннего сгорания, что будет тормозить его внедрение в производство. Однако разработки таких двигателей продолжаются, поскольку традиционные бензиновый и дизельный двигатели не будут отвечать перспективным требованиям необходимой чистоты отработавших газов, а созданные двигатели Стирлинга дают основание надеяться, что эту проблему удастся решить. Так как изменение давления газов в цилиндре двигателя Стирлинга носит плавный характер, то он работает стабильно и тихо, напоминая паровую машину. Однако большое количество отводимой теплоты требует новых решений в области систем охлаждения.
Большой прогресс в двигателях Стирлинга достигнут при создании двигателя «Филипс 4-215 DA». Двигатель предназначен для применения в легковых автомобилях и занимает в них столько же места, сколько и обычный бензиновый V-образный двигатель равной мощности. Масса двигателя «Филипс 4-215 DA» равна 448 кг и при максимальной мощности 127 кВт его удельная масса составляет 3,5 кг/кВт. Индикаторный КПД этого двигав теля при использовании е качестве рабочего тела водорода под давлением 20 МПа равен 35 %.
Холодный пуск двигателя длится 15 с, расход топлива автомобилем в условиях городского движения на 25 % меньше, чем в случае обычного бензинового двигателя. Регулирование мощности двигателя производится изменением количества и давления рабочего тела.
Плотность водорода в 14 раз ниже плотности воздуха, а его теплоемкость также в 14 раз выше теплоемкости воздуха. Это положительно сказывается на гидравлических потерях, особенно в регенераторе, и в целом ведет к росту КПД двигателя.
Список литературы
www.autodela.ru/main/top/review
Мацкерле Ю. Современный экономичный автомобиль/Пер. с чешск. В. Б. Иванова; Под ред. А. Р. Бенедиктова. - М.: Машиностроение, 1987. - 320 с.: ил.//Стр. 22 - 23
http://icarbio.ru/articles.html