Поршневий двигун внутрішнього згоряння відомий більше століття, і майже стільки ж, а точніше з 1886 він використовується на автомобілях. Принципове рішення такого виду двигунів було знайдено німецькими інженерами Е. Лангеном та Н. Отто у 1867 році. Воно виявилося досить вдалим, щоб забезпечити даного типудвигунів лідируюче положення, що збереглося в автомобілебудуванні та в наші дні. Проте винахідники багатьох країн невпинно прагнули побудувати інший двигун, здатний за найважливішими технічними показниками перевершити поршневий двигун внутрішнього згоряння. Які ж це показники? Насамперед, це так званий ефективний коефіцієнт корисної дії (ККД), який характеризує, яку кількість теплоти, що перебувала у витраченому паливі, перетворено на механічну роботу. ККД для дизельного двигуна внутрішнього згоряння дорівнює 0,39, а для карбюраторного – 0,31. Іншими словами, ефективний ккд характеризує економічність двигуна. Не менш суттєві питомі показники: питомий об'єм (к.с./м3) і питома маса (кг/л.с.), що свідчать про компактність і легкість конструкції. Не менш важливе значення має здатність двигуна пристосовуватись до різних навантажень, а також трудомісткість виготовлення, простота пристрою, рівень шумів, вміст у продуктах згоряння токсичних речовин. При всіх позитивних сторонах тієї чи іншої концепції силової установки період від початку теоретичних розробок до впровадження її в серійне виробництво займає дуже багато часу. Так, творцю роторно-nоршневого двигуна німецькому винахіднику Ф. Ванкелю знадобилося 30 років, незважаючи на його безперервну роботу, щоб довести свій агрегат до промислового зразка. Доречно буде сказано, що майже 30 років пішло на те, щоб впровадити дизельний двигун на серійному автомобілі ("Бенц", 1923). Але не технічний консерватизм спричинив таку тривалу затримку, а в необхідності вичерпно відпрацювати нову конструкцію, тобто створити необхідні матеріалита технологію для можливості її масового виробництва. Ця сторінка містить опис деяких типів нетрадиційних двигунів, але які практично довели свою життєздатність. Поршневий двигун внутрішнього згоряння має один із найістотніших своїх недоліків - це досить масивний кривошипно-шатунний механізм, адже з його роботою пов'язані основні втрати на тертя. Вже на початку ХХ століття робилися спроби позбутися такого механізму. З того часу було запропоновано безліч хитромудрих конструкцій, що перетворюють зворотно-поступальний рух поршня у обертальний рух валу такої конструкції.
Безшатунний двигун С. Баландіна
Перетворення поворотно-поступального руху поршневої групи у обертальний рух здійснює механізм, що ґрунтується на кінематиці "точного прямила". Тобто, два поршні з'єднані жорстко штоком, що впливає на колінчастий вал, що обертається із зубчастими вінцями в кривошипах. Вдале розв'язання задачі знайшов радянський інженер С. Баландін. У 40 - 50-х роках він спроектував і побудував кілька зразків авіамоторів, де шток, який з'єднував поршні з механізмом, що перетворює, не робив кутових хитань. Така безшатунна конструкція, хоч і була певною мірою складніше механізму, Займала менший обсяг і на тертя забезпечувала менші втрати. Слід зазначити, що аналогічний конструкції двигун випробовувався в Англії наприкінці двадцятих років. Але заслуга С. Баландіна у тому, що він розглянув нові можливості перетворюючого механізму без шатуна. Оскільки шток у такому двигуні не гойдається щодо поршня, тоді можна з іншого боку поршня теж прилаштувати камеру згоряння з конструктивно нескладним ущільненням штока, що проходить через кришку.
Роторно-поршневий двигун Ф. Ванкеля
Має тригранний ротор, який здійснює планетарний рух навколо ексцентрикового валу. Об'єм трьох порожнин, що змінюється, утворених стінками ротора і внутрішньої порожнини картера, дозволяє здійснити робочий цикл теплового двигуна з розширенням газів. З 1964 року на серійних автомобілях, де встановлюються роторно-поршневі двигуни, поршневу функцію виконує тригранний ротор. Необхідне в корпусі переміщення ротора щодо ексцентрикового валу забезпечується планетарно-шестерним узгоджувальним механізмом (див. малюнок). Такий двигун, при рівної потужностіз поршневим двигуном, компактніший (має менший на 30% об'єм), легше на 10-15%, має менше деталей і краще врівноважений. Але поступався при цьому поршневому двигуну за довговічністю, надійністю ущільнень робочих порожнин, більше витрачав палива, а гази, що відпрацювали, його містили більше токсичних речовин. Але після багаторічних доведень ці недоліки були усунені. Однак виробництво автомобілів з роторно-поршневими двигунами серійно сьогодні обмежене. Крім конструкції Ф. Ванкеля, відомі численні конструкції роторно-поршневих двигунів інших винахідників (Е. Кауертца, Г. Бредшоу, Р. Сейріча, Г. Ружицького та ін.). Тим не менш, об'єктивні причини не дали їм можливість вийти зі стадії експериментів - найчастіше через недостатню технічну гідність.
Газова двовальна турбіна
З камери згоряння гази спрямовуються на два робочі колеса турбіни, пов'язані кожне з самостійними валами. Від правого колеса в дію приводиться відцентровий компресор, з лівого - відбирається потужність, що направляється до колес автомобіля. Повітря, що нагнітається ним, потрапляє в камеру згоряння проходячи через теплообмінник, де підігрівається газами, що відпрацювали. Газотурбінна силова установка при тій же потужності компактніша і легша за двигун внутрішнього згоряння поршневого, а також добре врівноважена. Менш токсичні та відпрацьовані гази. В силу особливостей її тягових характеристик газова турбіна може використовуватися на автомобілі без КПП. Технологію виробництва газових турбін давно освоєно в авіаційній промисловості. З якої ж причини, враховуючи експерименти з газотурбінними машинами, що ведуться вже понад 30 років, не йдуть вони в серійне виробництво? Головна основа - невеликий в порівнянні з поршневими двигунами внутрішнього згоряння ефективний ККД і низька економічність. Також, газотурбінні двигуни досить дорогі у виробництві, так що в даний час зустрічаються вони лише на експериментальних автомобілях.Паровий поршневий двигун
Пара по черзі подається дві протилежні сторони поршня. Подача його регулюється золотником, який ковзає над циліндром у паророзподільній коробці. У циліндрі шток поршня ущільнений втулкою і з'єднаний з досить масивним крейцкопфним механізмом, який перетворює його зворотно-поступальний рух у обертальний.Двигун Р. Стірлінга. Двигун зовнішнього згоряння
Два поршні (нижній – робочий, верхній – витісняльний) з'єднані з кривошипним механізмом концентричними штоками. Газ, що у порожнинах над і під витіснювальним поршнем, нагріваючись поперемінно від пальника в голівці циліндра, проходить через теплообмінник, охолоджувач і назад. Циклічне зміна температури газу супроводжується зміною обсягу і відповідно дією на переміщення поршнів. Подібні двигуни працювали на мазуті, дровах, вугіллі. До їх переваг відносяться довговічність, плавність роботи, відмінні тягові характеристики, що дозволяє обійтися взагалі без коробки передач. Основні недоліки: велика маса силового агрегату та низький ККД. Досвідчені розробки недавніх років (наприклад, американця Б. Ліра та ін) дозволили сконструювати агрегати замкнутого циклу (з повною конденсацією води), підібрати склади пароутворюючих рідин з показниками вигіднішими, ніж вода. Проте на серійне виробництво автомобілів з паровими двигунами не наважився жоден завод за останні роки. Теплоповітряний двигун, ідею якого запропонував Р.Стірлінг ще в 1816 відноситься до двигунів зовнішнього згоряння. У ньому робочим тілом служать гелій або водень, що знаходиться під тиском, що поперемінно охолоджуються і нагріваються. Такий двигун (див. малюнок) у принципі простий, має меншу витрату палива, ніж внутрішнього згоряння поршневі двигуни, при роботі не виділяє газів, які мають шкідливі речовини, а також має високий ефективний ККД, що дорівнює 0,38. Однак впровадження двигуна Р. Стірлінга в серійне виробництво заважають серйозні труднощі. Він важкий і дуже громіздкий, повільно набирає обертів, порівняно з поршневим двигуном внутрішнього згоряння. Понад те, у ньому складно технічно забезпечити надійне ущільнення робочих порожнин. Серед нетрадиційних двигунів окремо стоїть керамічний, який конструктивно не відрізняється від традиційного чотиритактного поршневого двигуна внутрішнього згоряння. Тільки його найважливіші деталівиготовляються з керамічного матеріалу, здатного витримувати температури в 1,5 разів вищі за метал. Відповідно керамічного двигуна не потрібна система охолодження і таким чином, немає втрат у теплі, які пов'язані з його роботою. Це дає можливість сконструювати двигун, який працюватиме за так званим адіабатичним циклом, що обіцяє істотне скорочення витрати палива. Тим часом подібні роботиведуться американськими та японськими фахівцями, але поки не виходять із стадії пошуку рішень. Хоча в дослідах з різноманітними нетрадиційними двигунами, як і раніше, браку немає, домінуюче положення на автомобілях, як уже зазначалося вище, зберігають і, можливо, ще довго зберігатимуть поршневі чотиритактні двигуни внутрішнього згоряння.
Інший цикл
На початку ХХ століття тихі безклапані мотори встановлювалися на престижні моделі. Наприклад, під капотом цього шикарного Daimler Double Six 40/50 стояв саме такий двигун.
Mazda Millenia/Xedos 9 - один з небагатьох масових автомобілів, який оснащувався двигуном Аткінсона.
ЗВИЧАЙНИЙ 4-тактний двигун працює за циклом, винайденим ще в 1876 році німецьким інженером Ніколаусом Отто: у циліндрі за певних умов поперемінно відбуваються певні процеси - впуск, стиск, робочий хід та випуск. У 1886 році цю схему спробував удосконалити британський інженер Джеймс Аткінсон.
На перший погляд, його двигун мало відрізнявся від прабатька - той же порядок тактів, схожий принцип роботи ... Однак насправді відмінностей було чимало. Наприклад, за рахунок спеціального коленвала зі зміщеними точками кріплення Аткінсону вдалося знизити втрати на тертя в циліндрі та підняти ступінь стиснення двигуна.
Також у подібних двигунах інші фази газорозподілу. Якщо на звичайному ДВС впускний клапан закривається практично відразу по проходженні поршнем нижньої мертвої точки, то в циклі Аткінсона такт впуску значно довше - клапан закривається лише на півдорозі поршня до верхньої мертвої точки, коли в циклі Отто вже такт стиснення.
Що це дало? Найголовніше – найкраще наповнення циліндрів завдяки зниженню так званих насосних втрат. Не вдаючись у технічні подробиці, лише скажемо, що в результаті двигун Аткінсона приблизно на 10% ефективніший (і економічніший) звичайного ДВЗ.
Однак на серійних автомобілях мотори, що діють за схемою Аткінсона, досі не зустрічалися. Справа в тому, що такий двигун може правильно працювати та видавати хороші показникилише на високих оборотах. А на неодружених він, навпаки, намагається заглухнути. Щоб вирішити проблему наповнення циліндрів на малих оборотах, на подібні мотори доводиться встановлювати механічні нагнітачі (таку схему іноді не зовсім вірно ще називають двигун Міллера), що ще більше ускладнює і подорожчає конструкцію. До того ж втрати на привід компресора практично зводять нанівець переваги незвичайного мотора.
Тому серійні масові автомобілі з двигунами Аткінсона можна перерахувати на пальцях однієї руки. Характерний приклад - "Mazda Xedos 9/Millenia", яка випускалася з 1993 по 2002 рік і оснащувалась 210-сильним 2,3-літровим V6.
Зате в чистому вигляді мотори Аткінсона виявилися дуже придатними для гібридних моделей на кшталт знаменитого Toyota Prius або новітнього Mercedes-Benz S-класу, який незабаром піде в серійне виробництво. Адже на малих швидкостях такі машини пересуваються в основному на електротязі, а бензиновий двигун підключається тільки при розгоні або великих навантаженнях. Ця схема, з одного боку, дозволяє нівелювати вроджені недоліки двигуна Аткінсона, а з іншого - максимально використовувати його позитивні якості.
Безшумні золотники
Завдяки високій економічністі мотори, що працюють за циклом Аткінсона, сьогодні все частіше використовуються на гібридних автомобілях на кшталт Toyota Prius.
МЕХАНІЗМ газорозподілу - один із найскладніших і найгучніших в традиційному двигуні. Тому багато винахідників намагалися повністю позбутися його або хоча б суттєво модернізувати.
Мабуть, найуспішнішою альтернативною конструкцією став двигун, створений американським інженером Чарльзом Найтом на початку ХХ століття. Звичних клапанів та їх громіздкого приводу в цьому двигуні не було – їх замінили спеціальні золотники у вигляді двох гільз, розміщених між циліндром та поршнем. За допомогою оригінального приводу золотники переміщалися вгору-донизу і в необхідний момент відкривали вікна в стінці циліндра, через які всередину надходила свіжа горюча суміш і віддалялися в атмосферу вихлопні гази.
Такий двигун був складний у виготовленні і досить дорогий, зате він відрізнявся дуже тихою, практично безшумною за мірками того часу роботою. Тому багато компаній, що випускали представницькі автомобілі, стали встановлювати двигуни Найта на свої моделі. Покупці були готові переплачувати заради високого комфорту. На початку минулого століття подібні мотори використовували такі відомі фірми, як Daimler, Mercedes-Benz, Panhard-Levassor.
Однак початкове захоплення безшумної роботи двигунів Найта незабаром змінилося розчаруванням. Конструкція виявилася ненадійною, до того ж відрізнялася підвищеним споживанням бензину та олії через високе тертя між золотниками та стінками циліндра, що у рази зростало при збільшенні обертів коленвала. Тому позаду автомобілів з такими моторами завжди вився характерний сизий димок.
Епоха двигунів Найта закінчилася в 30-ті роки, коли на ринку з'явилися мотори з удосконаленим клапанним механізмом газорозподілу, який майже позбавився надмірної шумності. Проте в наші дні з'являються повідомлення про різні досвідчені варіанти безклапанних двигунів, так що не виключено, що в майбутньому ми ще побачимо такі мотори на серійних машинах.
Змінний ступінь стиснення
СТУПЕНЬ стиску - одна з найважливіших характеристик двигуна. Чим більший цей параметр, тим вища максимальна потужність, економічність та ККД бензинового мотора. Однак нескінченно збільшувати ступінь стиснення не можна - в циліндрах відбуватиметься детонація, тобто вибухове, неконтрольоване згоряння робочої суміші, що призводить до підвищеного зношування деталей і механізмів.
Ще гостріше ця проблема стоїть при створенні двигунів з наддувом, які останнім часом набувають все більшого поширення. Справа в тому, що деталі таких моторів працюють у жорсткіших умовах, тому вони сильніше нагріваються, і ризик появи детонації вищий. Тож ступінь стиснення доводиться знижувати. При цьому відповідно падає ефективність двигуна.
В ідеалі ступінь стиснення має плавно змінюватись в залежності від режиму роботи мотора. Для отримання максимальної віддачі її треба збільшувати, коли навантаження на двигун невелике, а потім зі зростанням опору руху поступово зменшувати.
Перші проекти моторів із змінним ступенем стиснення з'явилися ще в другій половині ХХ століття, проте складність конструкції поки що не дозволяє широко використовувати на масових моделях. Проте над удосконаленням цієї схеми працює багато автовиробників.
Наприклад, SAAB в 2000 році представив досвідчений рядний 5-циліндровий двигун SVC ("Saab Variable Compression"), який за рахунок зміненого ступенястискування при скромному робочому об'ємі 1,6 л видає пристойні 225 л.с. Шведський двигун по горизонталі розділений на дві частини, які шарнірно з'єднані один з одним з одного боку. У нижній знаходяться колінвал, шатуни та поршні, а верхня поєднує в єдиному моноблоці циліндри та їх головки. Спеціальний гідропривід може злегка нахиляти моноблок, варіюючи ступінь стиснення від 14 одиниць на холостих оборотах до 8 - на високих, коли в роботу включається приводний компресор. Така конструкція виявилася ефективною, але дуже дорогою, тому невдовзі після прем'єри проект SVC закрили до найкращих часів.
На думку фахівців, життєздатнішою виглядає інша схема. Такий двигун практично не відрізняється від звичайного, за винятком оригінального кривошипно-шатунного механізму. Колінвал тут пов'язаний із поршнем через спеціальне коромисло. Воно, у свою чергу, закріплене на спеціальному валу, що може повертатися за допомогою електро- або гідроприводу. При нахилі коромисла змінюється положення поршня в циліндрі, отже, і ступінь стиснення. Переваги такого компонування у відносній простоті - в принципі її можна створити на основі практично будь-якого двигуна.
Таким чином, сучасні технології вже дозволяють побудувати двигун зі змінним ступенем стиснення. Залишилося тільки вирішити проблему високої вартості таких проектів.
Не той гібрид
Можливо, в недалекому майбутньому ми побачимо на автомобілях концерну GM двигуни, що поєднують переваги як дизельних, так і бензинових моторів.
На СУЧАСНИХ автомобілях в основному застосовуються два типи двигунів - бензинові та дизельні. Перші відрізняються високою потужністю, другі - гарною тяжкістю та економічністю.
Зараз багато автовиробників працюють над створенням мотора, який поєднав би в собі обидві ці переваги. У принципі конструкція звичайних бензинових агрегатів вже стала дуже схожою на дизель: безпосереднє упорскування палива дозволило підняти ступінь стиснення до 13-14 одиниць (проти 17-19 у дизельних варіантів).
На експериментальних моделях ступінь стиснення ще вищий - 15-16 одиниць. Однак для постійного самозаймання суміші цього не завжди достатньо. Тому під час запуску двигуна, а також при високих навантаженнях паливо підпалюється звичайною свічкою. При рівномірному русівона відключається, і двигун переходить на "дизельний" режим роботи, споживаючи мінімум палива. Контролює всю систему електроніка, яка стежить за умовами руху та за їх зміни дає відповідні команди виконавчим механізмам. За словами розробників, подібні двигуни дуже економічні і практично не забруднюють довкілля. Проте вже зараз ясно, що вартість автомобілів з такими двигунами буде досить високою. Чи знайдуть вони своє місце на ринку, поки що сказати складно.
Вступ
«Головний, мабуть, чи однієї з найголовніших баз всієї нашої економіки»1 називав транспорт У. І. Ленін. Розвитку транспорту та питанням покращення роботи автомобільного транспорту - зокрема приділяється величезна увага у всіх рішеннях партії та уряду нашої країни. У десятій п'ятирічці автомобільний парк поповниться новими машинами великої вантажопідйомності. У 1980 р. буде випущено 2,1 – 2,2 млн. автомобілів, у тому числі 800 – 825 тис. вантажних. Збільшиться виробництво автобусів, автомобілів великої вантажопідйомності, причепів та напівпричепів до них. Причому особливу увагу звернено на покращення техніко-економічних характеристик транспортних засобів – на їхню продуктивність, економічність в експлуатації, зниження матеріаломісткості, надійність.
Серце кожної транспортної одиниці – двигун, і всі ці вимоги відносяться і до нього. Поліпшення паливної економічності та надійності двигунів, зниження їх ваги, створення простих і технологічних конструкцій, зменшення токсичності вихлопу та шуму, що виробляється двигуном - головні завдання, що стоять перед сучасним двигунобудуванням.
У виконання завдань, що стоять перед народним господарством, у розробку нових ефективних рішень великий внесок роблять радянські винахідники, раціоналізатори, новатори виробництва. Їхня робота була високо оцінена на XXV з'їзді КПРС.
Генеральний секретар ЦК КПРС товариш Л. І. Брежнєв у доповіді на XXV з'їзді партії «Від-
1 Ст І. Ленін. Поля. зібр. тв., т. 44, с. 302.
Чет Центрального Комітету КПРС та чергові завдання партії в галузі внутрішньої та зовнішньої політики» підкреслив:
«...Ми досягли помітного зростання науково-технічного потенціалу. Ще ширшим став фронт наукових досліджень. Все більшого розмаху набуває творчість сотень тисяч винахідників та раціоналізаторів».
Можливим типам незвичайних двигунів найближчого майбутнього та головним чином роботам наших вітчизняних винахідників присвячена ця брошура.
Якщо погортати популярні журнали і відшукати там статті про двигуни, то у недосвідченого читача напевно створиться враження, що дні звичайних двигунів внутрішнього згоряння (ДВС) вважаються - так багато останнім часом пишуть і говорять про електромобілі, турбовози і навіть парові двигуни. Враження це хибне. Численні прогнози передбачають, що 2000 р. буде випущено 60 - 75 млн. автомобілів (рис. 1, крива 5), а чисельність парку автомобілів досягне 500 - 750 млн. одиниць. Майже 95% пасажирських перевезеньта майже 90% вантажних здійснюватиметься автомобільним транспортом. І левова частка їх ляже на плечі нестаріючого поршневого двигуна.
Безсумнівно, що ДВС зазнає суттєвих змін. Величезні колективи вчених і інженерів ведуть пошук найефективніших рішень як з двигунів звичайним, і по двигунам нових, які ще отримали поширення типів.
Можливі кількісні контури сфер впливу різних типів двигунів у світовому випуску до 2000 наведено на рис. 1. Автор вважає, що скромна доля знаменитих «ванкелів» (крива 1) виявиться для багатьох несподіваною. У найближчому майбутньому вони витіснять трохи більше 5% звичайних ДВС, які випуск до 1985 р. перевищить 2 млн. прим. на рік. Вже зараз можна сміливо стверджувати, що основною сферою застосування цих двигунів стануть мотоцикли, катери, мотонарти та снігоходи. До 1985 р. 50% парку подібних машин буде оснащено двигунами ранку-ля. Водночас набагато менш розрекламований
«стирлінг» разом із газовою турбіною демонструють небачені темпи зростання (крива 3). Їхнє масове виробництво почнеться вже в 1981 р. і до 1985 р. складе до 10% від загального випуску автомобільних двигунів. Основною областю їх застосування спочатку будуть важкі вантажні автомобілі. У міру розробки компактних зразків двигунів Стірлінга та газотурбінного двигуна (ВМД) їхня частка в загальному балансі неухильно підвищуватиметься.
Найбільш інтенсивний зліт має крива 4, що характеризує випуск удосконалених звичайних ДВЗ. Вже до 1980 р. переважна більшість ДВС матиме форкамерне запалювання з пошаровим розподілом заряду суміші, безпосереднє упорскування палива чи інші вдосконалення робочого процесу, спрямовані насамперед зниження токсичності вихлопу. Щодо кривої 2, то вона ілюструє можливу динаміку виробництва електромобілів. Вже зараз парк електромобілів налічує десятки тисяч штук. У низці країн програми розробки електромобілів субсидуються урядами. Створено акумулятори та паливні елементи з підвищеною енергоємністю (понад 200 Вт-год на 1 кг ваги). І водночас висока вартість, а головне
Мал. 1. Прогноз виробництва автомобільних двигунів:
1 – двигуни Ванкеля; 2 двигуни для електромобілів; 3 - двигуни Стірлінга газові турбіни; 4 - удосконалені ДВЗ звичайної схеми; 5 - динаміка виробництва автомобілів значно менший пробіг електротранспорту від одиничної зарядки (заправки) ще довго стримуватимуть його повсюдне поширення. У 1990 р. частка електромобілів буде близькою до 10%, а 2000 р. становитиме 20 - 35%.
Захід ери поршневого двигуна аж ніяк не підтверджується прогнозними даними. Це радше своєрідний вид реклами електромобілів, «ванкелів», газотурбінних двигунів.
Всі нападки на існуючий автомобіль в першу чергу викликані токсичністю вихлопу. Перед автомобільного транспорту припадає 35% забруднення атмосфери. Цифра вражаюча. Тому всі високорозвинені країни випустили та затвердили в останні роки стандарти на токсичність. вихлопних газівавтомобілів. Автомобільні компанії підняли галас називаючи вимоги стандартів «нездійсненними», «необґрунтованими», «надтвердими». Однак усі автомобілі 1975 р. відповідають цим вимогам. Навіть мізерне зниження токсичності порівняно з вимогами стандартів використовується як яскрава рекламна приманка.
Газетний галас і скарги на жорсткість стандартів використані компаніями для підвищення цін на автомобілі в середньому на 20 - 25%, хоча всі зміни в основному зводяться до розробки вдосконалених карбюраторів, застосування систем безпосереднього упорскування палива та дожигачів або каталізаторів, встановлених у глушниках.
Принципово нові системи, суть яких полягає, наприклад, у переведенні бензину в пароподібний стан за допомогою теплообмінника або Попереднє розщеплення бензину та перетворення його на горючий газ, ще тільки розробляються. Але й ці системи не можуть кардинально вирішити проблему перспективного автомобіля, яка нерозривно пов'язана з вибором виду палива для двигуна.
В останні роки суттєво інтенсифіковані роботи з газобалонних автомобілів, які використовують як паливо суміші зріджених вуглеводневих газів, як правило, рідких пропану та бутану, що дозволяє знизити токсичність. Широкому поширенню газобалонних автомобілів перешкоджають поки що обмежена кількість газонаповнювальних стан-
цій, а також зниження потужності двигунів на. 10 – 20%.
Найбільш перспективний скраплений природний газ – метан. Застосування зрідженого газу дозволяє як різко знизити токсичність вихлопних газів (з однорідного складу палива і простоти хімічної будови), а й значно підвищити моторесурс, чи потужність двигуна. Однак низька температура зрідженого природного газу (- 160 ° С) вимагає виготовлення паливного бака за принципом термоса, що при сучасному стані кріогенної техніки не є складним.
Широкі роботи з переведення автопарку на скраплений природний газ проведено у США. Експериментальні автомобілі випущені і європейськими фірмами, такими як "Штейер-Пух" (Австрія), "Мерседес-Бенц" (ФРН), "Сав'єм" (Франція). Парк цих автомобцлів уже налічує десятки тисяч.
У нашій країні з метою оздоровлення атмосфери великих міст прийнято ухвалу про переведення значної кількості вантажних автомобілівна зріджений вуглеводневий газ та ведуться роботи з використання як паливо зрідженого природного газу. У 1975 р. на вулицях Москви вже з'явилися перші автомобілі, що працюють на зрідженому газі. Заповнюються вони на спеціальних газонаповнювальних станціях.
Розглядаючи питання перспективності автомобілів на скраплених газах, не можна не згадати про рідкий водень. Поки що він успішно використаний лише в ракетах. Однак це, безсумнівно, паливо майбутнього і для автомобілів як через необмежені запаси водню, так і через найбільшу чистоту продуктів згоряння (теоретично продукти згоряння водню складаються з водяної пари).
Перший успішний досвід застосування водню як паливо для дизелів з безпосереднім упорскуванням здійснено в університеті штату Оклахома (США) в 1968 - 1970 рр., де три досвідчені двигуни пропрацювали на стенді протягом двох років, причому їх потужнісні характеристики практично не змінилися. Єдиний недолік водню - необхідність його зберігання в рідкому стані при вкрай низькій температурі - 250 ° С. Тому, а також через
того, що водень вважається вибухонебезпечним (до речі, необґрунтовано), впровадження цього виду палива очікується не раніше широкого поширення автомобілів на зрідженому метані, тобто десь за межами 1990 року.
Щоправда, не виключено, що нещодавно знайдений спосіб зберігання водню в порошкових композиціях деяких металів (наприклад, в гідринах лантано-нікелевих) дещо наблизить цей термін. Суть способу в величезної поглинальної здатності гідридів по відношенню до водню. В одиниці об'єму порошку при практично атмосферному тиску водню запасається майже стільки ж, скільки в балоні з тиском 1000 кг/см2!
Цікавий принцип використано фахівцями Інституту проблем машинобудування АН УРСР у співдружності з колегами з Москви, Ленінграда та низки союзних республік. На базі "Москвича" вони створили експериментальний зразок автомобіля, у двигуні якого бензин замінено. воднем. На машині замість бака з бензином – мініатюрний реактор. Металевий порошок, що знаходиться в ньому, з'єднується з водою. Відбувається хімічна реакція, у результаті виділяється водень. У суміші з повітрям він подається до циліндра мотора. Паливна система вибухобезпечна.
Про перспективність зріджених газів та водню говорить той факт, що вже нині вартість зрідженого природного газу не перевищує вартості бензину, а вартість рідкого водню близька до неї. Зріджений газ та рідкий водень можуть бути використані як паливо для будь-яких видів двигунів. Можна припустити, що позитивні якості цих видів палива забезпечать їхнє поетапне застосування на всіх нових і вдосконалених зразках двигунів.
Але найчистіше паливо - це, звичайно, електрика. Тому практично всі без винятку статті про електромобілі починаються з тези, що проблему забруднення навколишнього середовища можна вирішити шляхом їх розвитку. Проте з 1900 р. питому енергоємність акумуляторів вдалося підвищити лише з 15 до 40 - 50 Вт*ч/кг, а забезпечення конкурентоспроможності електромобіля, на думку експертів, потрібна енергоємність щонайменше 220 Вт-ч/кг, т. е. в 4 - 5 разів вищий, ніж у існуючих типів.
Очікується, що лише протягом найближчих 10 років набудуть поширення літієві, цинково-повітряні та натрій-сірчані батареї та паливні елементи з питомою енергоємністю до 200 Вт-ч/кг, тобто все ще менше, ніж потрібно. Тому початку широкого випуску електромобілів очікується не раніше 1985 р. і те лише у припущенні прискореного прогресу акумуляторної техніки. У найближчому майбутньому розвиток цього виду транспорту стримуватиметься низькою енергоємністю, значною вагою, обмеженим терміном служби акумуляторних батарей та іншими причинами.
Роботи зі збільшення терміну служби батарей до 400 - 500 циклів перезарядки, що рівноцінно всього 2 - 3 рокам експлуатації, ще тільки ведуться і в цьому плані перспективи набагато менш райдужні, ніж у напрямку збільшення енергоємності. Важливою є підвищена вартість електромобілів, яка визначається не тільки високою ціною джерел живлення*, але й широким застосуванням у конструкції відносно дорогих легких металів та пластмас. Останнє необхідно хоча б для наближення загальної ваги електромобіля до ваги автомобіля з ДВС такого ж класу.
Не змінюють становища і випробувані схеми комбінованих енергетичних установок, у яких поруч із електродвигунами використовуються ДВС. Зазвичай у таких схемах ДВЗ працює в одному режимі (з метою зниження токсичності вихлопу) тільки на підзарядку акумуляторів. Але при цьому втрати енергії сягають 40%. Отже, особливих перспектив схема немає.
Реалізована фірмою «Бош» (ФРН) схема комбінованої енергетичної установки, де ДВС за допомогою спеціальної муфти потрібний моментможе підключатися до електроприводу коліс, що знизила величину втрат енергії до 10%. Однак вага такої установки, призначеної для легкового автомобіля, зросла на 400 кг, а вартість - на 30% порівняно з приводом від звичайного ДВЗ. «Етюд фірми «Бош» у галузі охорони навколишнього середовища», - назвали цю конструкцію конкуренти фірми.
1 У СРСР вартість однієї акумуляторної батареїдля легкового автомобіля становить близько 10% вартості двигуна/
Так що, незважаючи на велику кількість експериментальних і навіть серійних електромобілів, вони не можуть розглядатися як серйозний конкурент автомобілів з поршневим двигуном.
Те саме можна сказати і поки що про екзотичні гіромобілі, в яких акумулятор енергії - гіроскоп (маховик). Дослідницькі та дослідно-конструкторські роботи, що проводяться у тому числі. і в нашій країні дозволяють вважати цей вид транспорту конкурентом насамперед електромобілів. Дійсно, будучи порівнянними з останніми за вагою та величиною пробігу, гіромобілі можуть заповнювати нестачу енергії практично від будь-якої електричної розетки, що служить їх безперечною перевагою.
Слід зазначити, що це роботи з електро- і гиромобилям страждають свого роду однобокістю. Рекламуючи «стерильність» цього виду транспорту, автори не зважають на необхідність комплексного наукового дослідження проблеми їх використання. Адже, сутнісно, електромобілі виносять джерело забруднення лише межі міст, перекладаючи їх у плечі електроенергетики. Підраховано, що якщо замінити 14 млн. автомобільних ДВЗ (рівень 1974 р. у ФРН) на електродвигуни, батареї яких щодня з 22 до 6 години ранку заряджатимуться, то споживання електроенергії становитиме близько 100000 МВт. Забезпечити таке енергоспоживання можуть, наприклад, 500 (!) атомних ТЕЦ потужністю по 200 МВт (!) кожна. Одне тепловиділення подібної енергосистеми є колосальним. Облік цього аспекту, а також перспективного балансу електроенергії для кожної окремої країни (у США вже зараз відзначається дефіцит електроенергії), швидше за все, призведе до того, що і за межами 2000 р. електро- та гіромобілі будуть аж ніяк не переважаючим видом транспорту.
Важливим фактором, який виглядає парадоксально, є і низька ефективність використання енергії в системі електростанції - електромобіль. Її ККД не перевищує 15%. Експлуатація системи в масштабах планети дорівнює розбазарюванню енергії. Таку розкіш людство може собі дозволити лише через крайні обставини, з метою збереження життєздатності великих міст, атмосфера яких дедалі більше отруюється вихлопними га-
зааї ДВС. І лише в міру витрачання мінеральних ресурсів планети, вдосконалення методів отримання електроенергії та самих електромобілів їх кількість, можливо, різко зросте. Можливо, тому що мало хто наважується поки заглядати за кордон другого тисячоліття. І не виключено, що на той час народиться якийсь небачений вид індивідуального транспорту.
У нашій країні найбільшим споживачем електромобілів у найближчому майбутньому стане сфера обслуговування. Роботи у цьому напрямі ведуть вчені та інженери Москви, Харкова, Калінінграда, Єревана, Запоріжжя. А легковий електромобіль індивідуального користування помчить дорогами не раніше 1990 р.
В останні роки можна було почути думку, що зараз займатися розробкою нових типів двигунів безглуздо: гряде-де століття турбін і електродвигунів. Ця теза повністю спростовується даними рис. 1 навіть з урахуванням недосконалості прогнозів: до 2000 р. щонайменше половини новостворюваних (!) двигунів збереже вірність схемам, винайденим у минулому столітті: Отто, Дизель, Стірлінг. Однак сучасний рівеньрозвитку суспільства вимагає внесення суттєвих удосконалень як у конструкцію цих двигунів, так і в реалізовані ними робочі процеси з метою підвищення ККД та економічності, зниження ваги, зменшення шкідливого впливу на довкілля. Перспективність тих чи інших пошукових та дослідно-конструкторських робіт, що здійснюються як у державному масштабі, так і окремими ентузіастами, можна представити у такій послідовності:
1. Удосконалення ДВЗ звичайного типу.
2. Розробка двигунів зовнішнього згоряння та газових турбін.
3. Удосконалення електроприводу для автотранспорту.
4. Створення роторно-поршневих двигунів.
Звичайно, такий розподіл дуже умовний. Однак у справжній брошурі, присвяченій головним чином поршневим і роторно-поршневим двигунам, автор вважає за краще дотримуватися саме такої послідовності. А щоб показати як історичну не-
Обхідність внесення змін у їх конструкцію, так і наступність багатьох рішень, пропонує читачеві спочатку швидко ознайомитися з історією двигуна.
Трохи історії
Три століття тому, 1680 р., голландський учений-механік Христиан Гюйгенс придумав «пороховий двигун». Відповідно до ідеї під поршень, розміщений у вертикальному циліндрі, потрібно було закласти заряд пороху і підпалити його через маленький отвір у стінці циліндра. Продукти горіння підкидали поршень до великого отвору, що повідомляє камеру згоряння з атмосферою. Опускаючись, поршень мав тягнути вантаж, підвішений на блоках. Для епохи Гюйгенса це була надзвичайна «махіна» (терміни «двигун» чи «машина» ще не з'явилися), бо тоді єдиним потужним двигуном було водяне колесо.
Сам X. Гюйгенс на той час захопився шліфуванням лінз для гігантських і за нинішніми поняттями телескопів з фокусною відстанню до 60 м. Тому будівництво небезпечної «махини» доручив учневі - французькому фізику Дені Папену, який втілив ідею в метал. Його ім'ям відкривається історія теплових двигунів. Поширене твердження, що першою з'явилася парова машина, не так. «Порохова махіна» Д. Папена – прообраз сучасного двигуна внутрішнього згоряння, оскільки горіння всередині циліндра – його невід'ємна ознака.
Провозившись із «махиною» кілька років, Папен зрозумів, що порох – пальне не з найкращих. Доля послала йому на той час нових видатних вчителів. В Англії він знайомиться з Робертом Бойлем, який вивчав стан газів, а згодом, у Німеччині, з математиком Готфрідом Лейбніцем. Можливо, що їхні роботи і допомогли Д. Папену створити «паро атмосферний двигун», в якому поршень піднімав «одержувану за допомогою вогню водяну пару». Коли джерело тепла (вогонь) прибирали, пара знову згущалася у воду, і поршень під дією ваги і атмосферного тиску1 (!) опускався вниз.
1 При конденсації пари під поршнем утворюється розрядження.
І хоча тут вже використовується пара, нову машину Папена не можна назвати паровою: робоче тіло в ній не залишає меж циліндра і тільки джерело тепла розташоване зовні. Тому можна сказати, що за ДВС Папен винайшов двигун зовнішнього згоряння. Перший у світі двигун зовнішнього згоряння робив лише один хід за хвилину, що не відповідало навіть невибагливим вимогам тих часів. І Папен, відокремивши котел від циліндра, винайшов парову машину!
Перша у світі пароатмосферна машина потрапила до «підмайстра» до водяного колеса. У книзі Д. Папена "Нове мистецтво ефективно піднімати воду на висоту за допомогою вогню" сказано, що вона хитала воду, щоб та... обертала водяне колесо.
Вісімнадцяте століття. Він не приніс нової історії ДВС. Зате Томас Ньюкомен в Англії (1711 р.), Іван Ползунов (1763 р.) і англієць Джеймс Уатт (1784 р.) розвинули ідеї Д. Папфш. Почалося самостійне життя парової машини, її переможна хода. Пожвавились і прихильники внутрішнього згоряння. Та хіба не привабливо об'єднати і топку та котел парової машини з її циліндром? Колись Папен вчинив навпаки, а тепер...
У 1801 р. француз Ф. Лебон припустив, що світильний газ – непогане паливо для ДВС. На втілення ідеї у життя пішло 60 років. Його земляк, Жак Етьєн Ленуар, бельгієць за національністю, запустив у 1861 р. перший у світі ДВС. За пристроєм це була парова машина подвійної дії без котла, пристосована для спалювання в ній4 суміші повітря і світильного газу, що подається при атмосферному тиску.
Не можна сказати, що Ленуар був першим. За 60 років патентні відомства отримали безліч заявок на «привілеї» щодо будівництва незвичайних теплових двигунів. Наприклад, у 1815 р. запрацював «повітряний тепловий двигун» Роберта Стірлінга, який у 1862 р. вдалося перетворити на холодильну машину. Були й інші спроби побудови ДВС.
Але поширення отримав лише двигун Ленуара, незважаючи на те, що він був громіздкий, примхливий, поглинав масу мастила і води, за що навіть отримав невтішне прізвисько «шматок сала, що обертається». Але Жак Ленуар потирав руки – попит на «шматки сала» зростав. Проте тріумфував він недовго. На Всесвітній виставці 1867 р. у Парижі попри очікування перший приз отримав «газовий атмосферний двигун», привезений з Німеччини Ніколаусом Отто та Ей геном Лангеном. Він приголомшував відвідувачів неймовірним тріском, проте споживав набагато менше палива, ніж двигун Ленуара, і мав на 10% більший ККД. Секрет його успіху – попереднє стиснення робочої суміші, чого в двигунах Ленуара не було.
Ще в 1824 р. французький інженер Нікола Леонар Саді Карно видав книжку «Роздуми про рушійну силу вогню і про машини, здатні розвивати цю силу». Феєрверк ідей: принципи теплопередачі, критерії для порівняння всіх теплових циклів, основи термодинаміки двигунів і серед них попереднє стиснення – було розсипано на сторінках цієї маленької книжки. Через десять років ці ідеї розвинув Б. Клапейрон, а трохи згодом - У. Томсон. Тепер ці імена знайомі всім. Але Ленуар, ні Отто, ні Ланген про їхні праці нічого не знали. Вони віддавали перевагу теорії експерименту. Не знали вони й те, що у 1862 р. француз А. Бо де Роша вже запатентував чотиритактний цикл. А другий за рахунком такт – якраз і є попередній стиск робочої суміші.
Чотирьохтактний двигун, що практично не відрізняється від сучасних ДВС, Отто і Ланге привезли лише на Всесвітню виставку 1873 р. До цього винахідники не лише використовували досвід виробництва парових машин, але застосовували такий самий, як у них, механізм газорозподілу – золотник. У новому двигуні замість золотника стояли клапани.
Неприступні позиції парової машини похитнулися. ДВС перейшов у наступ. Недовго попрацювавши на світильному газі, він взявся за калорійніший - генераторний. А потім, і спочатку це здавалося неймовірним, дістався «незвичайного» рідкого палива.
Парова машина здалася не одразу. У 1880 р. М. Д. Можайський замовив для свого літака дві парові машини. Про «питому» вазі, що дорівнює 5 кг/л. с., конструктори ДВС у той час тільки мріяли, а М. Можайський досяг цього без особливих зусиль. Але вже через вісім років «Товариство з будівництва повітряного корабля «Росія» зібралося встановити на свій дирижабль один із перших у світі бензинових двигунів, збудований Огнеславом Костовичем. Він досяг надзвичайної легкості конструкції: на 1 л. с. потужності у його двигуні припадало всього по 3 кг ваги. Оригінальним було і компонування двигуна. Пари протилежних поршнів через розташовані з боків коромисла обертали колінчастий вал, розміщений над циліндрами (рис. 2). Двигун зберігся, і з ним можна ознайомитися в Московському Будинку авіації ім. М.» Фрунзе.
На рубежі XX ст. на будівництво будівлі ДВС було закладено останній камінь. У 1893 р. із претензійною ідеєю «раціонального теплового двигуна, покликаного замінити парову машину та інші існуючі в даний час двигуни» виступив німецький інженер Рудольф Дізель. Перший зразок його двигуна запрацював у 1897 р. Маса недоліків сповна компенсувалася небувало високим ККД, рівним 26%. Для першого зразка цього більш ніж достатньо. Цікаво, що удосконалення двигунів Дизеля, їх доведення здійснили російські інженери на Петербурзькому заводі Нобеля в 1899 – 1902 рр. Тільки після цього дизель став гідним конкурентом карбюраторного ДВЗ.
Масове поширення ДВЗ різко змінило життя людини. Гуркіт моторів почав чутись з усіх боків. Він змусив пішоходів злякано тиснутись до стін будинків, з цікавістю задирати голову вгору, годинами дивитися на маніпуляції різних машин.
Екскурс в історію двигуна на цьому можна було й закінчити. Далі йде розвиток, В автомобілебудуванні з тих пір до цього дня в основному використовуються двигуни з циліндрами, розташованими в один або два ряди, у свою чергу, розміщені під кутом (V-подібна схема) або навпроти один одного (опозитна схема). Двигуни, побудовані за незвичайними схемами, найчастіше завдячують своїм народженням авіації. -Почавши з одноциліндрового двигуна повітряного охолодженняна літаку братів Райт, авіабудівники швидко переключилися на багатоциліндрові зіркоподібні та рядні.
Зіркоподібні були всім хороші, але при швидкості перших літаків 40 - 60 км/год потрібного охолодженняциліндрів все ж таки не забезпечували. Винахідники обійшли цю перешкоду, виконавши блок циліндрів, що обертається навколо нерухомого валу, заодно подарувавши світові термін «ротативний двигун» (рис. 3).
Перешкодою для поширення двигунів цього типу було різке збільшення навантажень на основні двигуни, викликане відцентровими силами.
Наш співвітчизник А. Г. Уфимцев спробував знизити вплив відцентрових сил, побудувавши біротатив-ний двигун. Вал і блок циліндрів стали обертатися в різні боки з удвічі меншою швидкістю. Але незабаром таке рішення стало непотрібним - швидкість літаків перевалила за цифру 100. Циліндри, що стирчать в сторони, чудово обдувались потоком повітря від гвинта, але... (це «але» вічно кочує від однієї конструкції до іншої і навряд чи коли-небудь заспокоїться) створювали значний аеродинамічний опір.
Вага 80 кг. Стрілками показано напрямок потоку горючої суміші
Мал. 4. Схема двотактного авіадвигуна А. А. Мікуліна та Б. С. Стечкіна (1916 р.). Потужність 300 л. с. 1 - безпосереднє упорскування легкого палива, запропоноване вперше у світі!
Притиснути б циліндри до валу! Зробити їх компактніше! Цьому заважав насамперед шатун. Його довжина пов'язана з ходом та діаметром поршня жорстким співвідношенням. Вихід невдовзі було знайдено. Циліндри розташували паралельно валу, а їхні штоки (не шатуни!) пов'язали із шайбою, косо посадженою на валу. Вийшов компактний блок, названий двигуном із косою шайбою (рис. 4). У Росії він використовувався з 1916 (конструкція А. А. Мікуліна і Б. С. Стечкіна) по 1924 (двигун Старостіна). Детальні випробування, проведені в 1924 р., виявили підвищені втрати на тертя та великі навантаження на окремі елементи, що зумовлює відносну "ненадійність" та неефективність двигунів з косою шайбою.
Уважний читач, мабуть, помітив, що у тексті виділено слово шатун. Він не відразу став неодмінною деталлю поршневих двигунів.
У паровій машині Ньюкомена шатуна ще не було, Івану Ползунову він уже служив вірою та правдою, а Уатт навіть запатентував кілька механізмів того ж призначення, оскільки просто шатун на той час уже був запатентований.
Будучи найпрогресивнішим рішенням свого часу, справно прослуживши людям два століття, шатун вже в 20-ті роки нашого століття почав викликати нарікання моторобудівників. Мовляв, і назва яка: «шатун». Хитається, розгойдується, розбиває все. І габа-
рит не дає зменшити. І поршні то до одного, то до іншого боку циліндра притискає, і збільшує інерційні навантаження. Словом, усім поганий став шатун. Та тільки порозумітися з ним виявилося непросто.
Авіамоторобудівники невпинно доводили свої конструкції. До 1940 р. було враховано всі дрібниці, прибрано всю зайву вагу, використано тисячі хитрощів, застосовані найекзотичніші матеріали. І лише основна схема - кривошипно-шатунний механізм не зазнала жодних змін. У цей час ніхто, мабуть, не міг передбачити майбутнього тріумфу реактивних двигунів. Тому в усіх країнах велися великі роботи зі створення потужних малогабаритних поршневих авіадвигунів. Але незважаючи на інтенсивну роботу, поршневий авіадвигун потужністю понад 4000 л. с. в жодній зарубіжній країні створено не було.
В Англії фірма «Хіпл» створила двигун з протилежними поршнями та розташованим над ними колінчастим валом. З боків розташовувалися коромисли. Тобто англійці відродили схему Костовича. А якщо перевернути ще кілька сторінок історії, то виявиться, що це і схема Ньюкомена. Тільки в нього взагалі не було колінчастого валу. Прив'язана до коромисла мотузка тягала вгору-вниз поршень насоса. Неподалік пішла й швейцарська фірма «Зульцер». Її двигун відрізнявся від "Хіпл" лише формою коромисла. Свою лепту внесли навіть новозеландці: до їхнього двига-. тілі коромисла розміщені всередині поршнів. Але з коромислами пов'язаний той самий шатун.
Гідний наступник кривошипно-шатунного механізму був потрібен усім, потрібний він і до цього дня. Тому його пошуки не припинялися. Не в силах позбутися шатуна зовсім винахідники-одинаки і цілі колективи почали варіювати його розташуванням (рис. 5). Подібні двигуни випускаються малими серіями цілим рядом фірм і називаються «двигунами зі складними кінематичними схемами». Існували й екзотичніші конструкції. Так, австрійці розташували шість поршнів по сторонах трикутника, помістивши колінчастий вал у центрі. Їхній двигун «Фіа-ла-Фернбраг» виділявся серед інших лише гучним ім'ям. Його характеристики залишали бажати кращого.
У схожій схемі, використаній американцями, в кутах квадрата вміщені здвоєні циліндри, а в центрі - безліч шатунів і два колінчасті вали. «Діна-Стар» назвали конструктори своє дітище. Але і в ньому зовсім оригінальна тільки назва.
Не обійдено увагою і коса шайба. Зараз вона широко застосовується у різних гідромоторах. А наприкінці 50-х років англійський винахідник Хюгенс демонстрував колегії експертів провідних моторобудівних фірм «новий» ротативний двигун із дванадцятьма циліндрами. Він був схожий на барило. А всередині ховалася та сама коса шайба. І хоча Хюгенс стверджував, що «двигун об'єднує термодинамічну потужність ДВЗ з перевагами турбіни» і що «втрати на тертя, завдяки відсутності шатунів, на 60% менше», ніж у ДВЗ, експерти подивувалися, ретельно оглянули двигун, і... більше про нм не чути. Втім, і винахідники-одиначки, і навіть фірми досі намагаються створити працездатний двигун із косою шайбою. Є повідомлення про парових машинах, «Стирлінгах» та звичайних ДВС, що використовують цю схему. Ведуться такі роботи і в нашій країні, проте особливих перспектив вони, мабуть, не мають. Виною всьому - втрати на тертя, з якими так завзято боровся Хюгенс. У швидкохідних шатуцних ДВЗ та двигунах з косою шайбою на них витрачається 15 - 25% корисної потужності. А у незвичайних «Хіпла», «Фіали», «Діни» ще більше.
Інший "ворог" двигунів, що підступно з'являється при підвищенні оборотів, - інерційні сили. Вони не тільки допомагають силам тертя, але й просто неприпустимо перевантажують багато деталей.
Є й третій – теплова напруженість циліндра. Зі зростанням оборотів, а отже, і кількості спалахів стінки циліндра не встигають відводити тепло. А тут ще підвищене тертя «підливає олії» і без того розжарений циліндр.
Ось цих «ворогів», найближчих родичів шатуна, і не змогли досі здолати винахідники всього світу. Звичайно, не слід думати, що розробка двигунів зі зниженими втратами на тертя та зменшеною кількістю оборотів вирішить усі проблеми, що стоять перед двигунобудуванням. Одне з головних завдань - зменшення токсичності вихлопних газів вирішується зараз як у результаті покращення робочого процесу та застосування інших видів палива, так і внаслідок дефорсування двигуна.
Зарубіжні конструктори через появу жорстких вимог щодо охорони навколишнього середовища змушені були піти останніми роками зниження оборотів і ступеня стиснення карбюраторних двигунів. А це неминуче позначилося на їх техніко-економічних показниках. Так, середня літрова потужність американських автодвигунів зараз становить 30 - 40 л. с./л. Зросла і питома витрата палива. І, отже, автомобілі оснащуються більш громіздкими і менш ефективними двигунами. Тому розробку конструкцій, що дозволяють зберегти ефективність та вагові показники двигунів принаймні на існуючому рівні, можна вважати одним із головних завдань. Як буде показано нижче, це завдання може бути успішно вирішено шляхом створення безшатунних двигунів, у яких різко знижено втрати на тертя. Побічно таке рішення позначається на краще і на економічності, надійності вагових показників.
Інший шлях - розробка двигунів принципово іншої конструкції - ротаційних та двигунів, заснованих на іншому тепловому циклі. У двигунах цих типів можуть бути ефективно використані багато рішень щодо поліпшення звичайних ДВС.
Поршневі двигуни
Двигуни Баландіна. Робота над цими двигунами розпочалася після Великої Вітчизняної війни. У ті роки Сергій Степанович Баландін вів роботи з унікальних поршневих двигунів, які перевершували за своїми показниками авіаційні поршневі двигуни того часу. Ці двигуни були легшими, потужнішими, економічнішими, простішими, надійнішими і дешевшими від будь-якого відомого на той час. До 1948 р. було розроблено та випробувано сім типів двигунів потужністю від 100 до 3200 л. с., а 1948 - 1951 рр. з'явився надпотужний двигун поршневий потужністю 10000 л. с., питомі показники якого практично дорівнюють аналогічним показникам турбореактивних двигунів.
Потужність відпрацьованого базового ступеня, що складається з чотирьох хрестоподібних циліндрів, була настільки великою, що порушувалося питання про її зниження, оскільки літаків, які потребують таких потужних двигунів, не було.
Вже перший зразок двигуна З. З. Баландіна показав колосальні переваги. Він був в 1,5 рази потужнішим і в 6(!) разів довговічнішим за зіркоподібний авіадвигун М-11, взятий для порівняння. Крім того, він перевершував його і за іншими показниками. У книзі «Безшатунні двигуни внутрішнього згоряння» С. G. Баландіна сконцентровано все найважливіше про ці незвичайні мотори. Важко коротко переказати зміст цієї маленької книжки. Кожна її сторінка – відкриття. Ці цифри здаються неймовірними. Але за ними стоять реальні, прискіпливо випробувані зразки.
У 1968 р. журнал «Винахідник і раціоналізатор» № 4 опублікував статтю під заголовком «Суттєво новий двигун», де йшлося про «безшатунний механізм для перетворення зворотно-поступального руху на обертальний» (а. с. № 164756). Його автор – молодий севастопольський винахідник Є. І. Лев. Стаття закінчувалася словами: «... хочеться, щоб двигун збудували, випробували у справі». А за півроку стало відомо про існування авторського свідоцтва № 118471, виданого в 1957 р. С. Баландіну на «двигун внутрішнього згоряння з безшатунним механізмом».
В обох формулюваннях є слово «без-шатунний». Але що стоїть за цим словом? Без ретельних експериментів важко відповісти. Двигун (рис. 6), який сконструював Є. І. Лев, поки що так і не побудований - підвела технологічна база. Натомість роботи С. Баландіна дозволяють сміливо сказати: за ключовим в обох авторських свідченнях словом «безшатунний» ховалися незвичайні двигуни найближчого майбутнього. Пройде кілька років і лише безнадійні консерватори проектуватимуть двигуни із традиційним шатунно-кривошипним механізмом.
Як же влаштований безшатунний механізм Баландіна? Його «родзинка» - колінчастий вал, ніби розрізаний на три частини (рис. 7, а). Центральна колінчаста частина 1 зі зменшеним удвічі проти звичайного радіусом шийок вільно обертається в підшипниках ковзання, двох кривошипів 2 з тим же радіусом. Центральну частину охоплює штоковий підшипник. На штоку 3 закріплені два поршні (найповніше переваги схеми реалізуються при протилежних поршнях). Щоб зусилля від шийок центральної частини валу не передавалися поршням, шток у центрі має спеціальну напрямну 4, подібну крейцкопфу компресорів та парових машин. Тільки крейцкопф цей розмістився у самому центрі двигуна. Синхронізацію обертання кривошипів забезпечує вал 5, пов'язаний з ними зубчастими передачами 6. Він є вал відбору потужності для приводу клапанів та інших агрегатів.
Штоковий підшипник переміщається прямою. Навколо його центру, що рухається зворотно-поступально, описують свої траєкторії (коло) шийки колінчастого валу. А якщо у шийок траєкторія - коло, то й кривошипи плавно йдуть за шийками. Отже, шатуна у двигуні немає. Тому через широкі канали в крейцкопфі по штоку до поршня можна підвести потужний потік масла, який забезпечить ідеальне охолодження поршнів, що, в свою чергу, дозволяє різко форсувати двигун. Нагріте масло повертається також через шток. Для цього він поділений трубкою на дві частини. Завдяки крейцкопфу, що ковзає масляною плівкою, поршні двигунів С. Баландіна практично не зношуються. Зношування шийок колінчастого валу знижується в 3 - 4 рази. Пояснюється це просто. У звичайних ДВС на шийки передається вся сила тиску газів на поршні, а у двигунів С. Баландіна лише корисна різниця сил протилежних циліндрів.
Знижені навантаження на деталі, що обертаються, призводять до трьох-чотириразового (!) зниження втрат на тертя. Механічний ККД двигунів С. Баландіна дорівнює 94%! Усього 6% замість 15 – 25% витрачається на подолання тертя! Габарити вже перших двигунів Баландина були меншими, ніж у двигуна М-11 принаймні на довжину шатуна, а їх літрова потужність (максимальна потужність, поділена на робочий об'єм циліндрів в літрах) - найголовніша характеристика двигуна в 1,5 рази перевищила і зараз заповітний всім двигунобудівників рубіж - 100 л. с./л. Для прикладу можна нагадати, що літрова потужність двигуна автомобіля «Жигулі» рівно наполовину менша.
За словами С. С. Баландіна, від безшатунних двигунів взято поки що «тільки з поверхні». Наприклад, тільки ці двигуни дають можливість конструктивно просто реалізувати двосторонній робочий процес у циліндрах, підвищити потужність двигунів рівно у 2 рази.
Подвійна дія – стародавній термін. Від належав до найперших ДВС Ленуара. А згодом майже зник із технічної літератури. Не тільки тому, що на шляху його реалізації багато конструктивних труднощів. Небагато існуючих двигунів подвійної дії аж ніяк не мають подвоєної потужності, а за питомими характеристиками вони значно гірші за звичайні ДВЗ. Винен шатун. Він обов'язково вимагає крейцкопфа, встановленого за ним. А це призводить до зростання габариту, збільшення ваги та відповідно інерційних навантажень. У результаті - громіздка, тихохідна конструкція, чому ця схема і використовується зараз лише у потужних суднових дизелях. Двигун Баландина зовсім не вимагає збільшення маси рухомих частин. У ньому, щоб розмістити другі циліндри, потрібно лише трохи подовжити що-
ки. Небезпека перегріву поршнів усувається блискуче вирішеною конструкцією охолодження поршня потужним потоком олії.
Усі надпотужні двигуни С. Баландіна, серед яких є двигун потужністю 14 тис. л. с. при вазі 3,5 т (0,25 кг/л. с.), були двигунами подвійної дії, у тому числі із золотниковим газорозподілом, що дозволяє ще більше зменшити розміри. Від золотника, запозиченого у парової машини, відмовилися на початку розвитку ДВС. Наразі золотники знову використовуються. Тільки замість золочників, що рухаються зворотно-поступально, застосовують обертові. Однак суть їхня колишня.
Але чому ж золотник? З підвищенням оборотів, а чим вони вищі, тим менші розміри двигуна за тієї ж потужності, інерційні навантаження на шатунно-поршневу групу та деталі клапанного механізму різко зростають. В останньому збільшені навантаження порушують фази газорозподілу. Золотнику, що обертається, це не загрожує. Недарма саме двигуни із золотниковим газорозподілом нещодавно вражали світ рекордами літрової потужності. З 200 л. с./л (НДР, 1960) до 300 л. с./л (Японія, 1970) піднялася літрова потужність двигунів із золотниками для гоночних мотоциклівза десятиліття.
С. С. Баландін випередив «рекордсменів» щонайменше на 20 років створивши великі двигуни величезної потужності. Нагадаємо, що нікому у світі, хоча за справу бралися фахівці найвідоміших фірм, не вдалося скликати поршневого авіаційного двигуна потужністю понад 4000 тис. л. с. А тут відразу 10 - 14 тис., а за бажання і всі 20 тис. і всього 24 циліндри. Середня швидкість поршня в двигунах Баландіна досягала небаченої величини – 80 м/с! (У звичайних двигунах ця швидкість дорівнює 10 - 15 м/с, у гоночних - до 30 м/с). А високий механічний ККД не заважає підняти його ще вище.
Ефективна потужність кращих зразків шатунних двигунів вже при середньої швидкостіпоршня, що перевищує 30 м/с. нестримно прагне до нуля. Безшатунний механізм практично не реагує на зростання середньої швидкості. Ефективна потужність двигунів С. Баландіна в 5 - 6 разів, а при подвійній дії і в 10 разів (!) вище за аналогічну у шатунних. Невеликий
графік, наведений у книзі С. Баландіна, неупереджено свідчить про це. Графік обмежений діапазоном середніх швидкостей поршня до 100 м/с, але криві прагнуть вирватися за його межі, ніби підкреслюючи приховані можливості цієї незвичайної схеми.
Середня швидкість – це обороти, потужність. Але ж вищі оберти, вищі інерційні навантаження, вібрація. І тут двигуни Баландіна поза конкуренцією. Осцилограми вібрації (амплітуди 0,05 - 01 мм) найпотужніших зразків, зняті у трьох площинах, здаються неправдоподібними. Навіть у турбін вібрація, як правило, не менша. Ідеальна врівноваженість зберігається при будь-якому кратному 4 числі циліндрів. Хоча в принципі можливі одно- та двоциліндрові двигуни. З базових блоків по чотири циліндри, як із кубиків, можна складати будь-які композиції, не сумніваючись у їх чудових характеристиках.
Не можна не сказати і про економічність. Питома витрата палива у двигуна Баландіна в середньому на 10% нижча, ніж у шатунних прототипів. Але це не все! Шляхом відключення подачі палива в один або кілька рядів циліндрів (і це було здійснено!) можна змусити двигуни працювати з високою та практично постійною економічністю на режимах від 0,25 до верхньої межі номінальної потужності. Режиму роботи на часткових навантаженнях, а це основний і, як не дивно, найменш вивчений режим роботи більшості двигунів, останнім часом приділяється максимальна увага. Адже ККД звичайних двигунів оптимальний у вузьких діапазонах потужності та кількості обертів.
Багатоциліндрові безшатунні двигуни практично не змінюють ефективність і при будь-якій часткове навантаження. Неймовірно, але знову ж таки перевірений експериментально факт, що й у них питома витрата палива можна знизити ще мінімум на 10%. Досягається це застосуванням так званого циклу з подовженим розширенням, тобто з довшим робочим ходом поршня. Цикл цей не знаходить застосування на звичайних двигунах, тому що доводиться різко збільшувати їхній габарит. У безшатунних двигунах необхідне збільшення розмірів рівно вдвічі менше, а з урахуванням їхньої малогабаритності взагалі такий крок майже не відбивається на вагових характеристикахдвигуна.
І останнє. Вартість виробництва навіть досвідчених зразків двигунів С. Баландіна в середньому в 1,6 рази нижча, ніж аналогічних за потужністю серійних. Те саме буде і в нових розробках. Запорука тому і менше деталей, і технологічність конструкцій.
Двигун Шнейдера. Серед незвичайних двигунів є ще один, у якому відсутній шатун. Розробив його керівник групи Ризького дизелебудівного заводу Л. І. Шнейдер.
Поштовхом до створення двигуна був успіх двигунів Ванкеля. Будучи двигуністом, Л. І. Шнейдер добре уявляв собі переваги і недоліки цієї конструкції і у власній розробці спробував поєднати обертання поршня з його традиційною формою. Двигун вийшов біротативним. Однак від двигуна А. Г. Уфімцева, побудованого на початку століття, він відрізнявся тим, що і кривошипний вал, і блок циліндрів обертаються в один бік і, крім того, що в ньому відсутні шатуни.
Конструктивна схемадвигуна зображено на рис. 8. У нерухомому тонкостінному кожусі, що утворює сорочку повітряного охолодження, обертається на підшипниках блок із чотирма хрестоподібно розташованими циліндрами. У циліндрах розміщені двосторонні поршні з плоскими продувними лопатями 5 (рис. 8) з боків. Поршні посаджені безпосередньо на кривошипні шийки валу. Вал обертається у підшипниках, ексцентричних підшипниках блоку циліндрів. Поршні синхронізують обертання блоку циліндрів і кривошипного валу, причому блок обертається в той самий бік з удвічі меншою швидкістю.
Продувні лопаті переміщаються в порожнинах блоку циліндрів і забезпечують всмоктування робочої суміші з кривошипної камери і карбюратора 4, її попереднє стиснення (обсяг кривошипної камери постійний) і перепуск робочі камери. Газорозподіл забезпечується раціональним розташуванням перепускних / та вихлопних 2 вікон та продувними лопатями. За один оборот блоку циліндрів у кожному відбувається робочий хід, а кривошипний вал робить два обороти.
Обертання блоку циліндрів забезпечує властиве всім ротативним двигунам збагачення суміші на периферії циліндра в районі свічки та більш швидке та повне згоряння палива. Згоряння тут таке саме, як у циліндрах з пошаровим розподілом заряду. Тому двигун Л. Шнейдера відповідає сучасним вимогам щодо «чистоти» вихлопних газів.
До особливостей двигуна слід віднести відмінну врівноваженість, можливість розміщення на маховику кривошипного валу нагнітача 3, ефективність якого через подвоєну швидкість обертання досить висока, і подсасывающее дію похилих ребер головок блоку, які при обертанні всмоктують охолоджувальне повітря через вікна в торця у центрі кожуха равлик, де повітря поєднується з вихлопними газами.
Мастило двигуна здійснюється робочою сумішшю, як у всіх двигунах мотоциклів. Карбюратор розміщений на торці кожуха, протилежному до нагнітача. Запалювання – електроіскрове. Розподільник запалювання – самі свічки.
Макетний зразок двигуна, що випробував на Ризькому дизелебудівному заводі, важив 31 кг при робочому об'ємі 0,9 л. Розрахункова питома вага двигуна у карбюраторному варіанті 0,6 - 1 кг/л. с., у дизельному – від 1 до 2 кг/л. с. У порівнянні зі звичайними
двигунами з аналогічними параметрами двигун Л. Шнейдер набагато компактніше.
Двигун Кашуба – Корабльова. Ще один безша-тунний двигун запропонували два винахідники з севастопольського об'єднання «Югрибхолодфлот» - Н. К. Кашуба та І. А. Корабльов. Вони сконструювали двигун (рис. 9), в якому нерухомі поршні укріплені на рамі /, а переміщається блок циліндрів 2. Його рух перетворюється на обертання шестерним механізмом 3 з напівшестернями, що взаємодіють з зубчастими рейками. Єдиний шатун 4 служить для синхронізації та запуску. Оскільки втрати в зубчастих передачах малі, механічний ККД двигуна повинен бути вищим, ніж у звичайних багатошатунних конструкцій. Модель двигуна, що працювала на стислому повітрі, показала, що прийнята схема цілком працездатна. І натхненні винахідники сконструювали на її основі тихохідний судновий дизель. Він вийшов набагато компактнішим, ніж звичайний. А численні розрахунки елементів конструкції та робочого циклу, виконані за допомогою студентів-дипломників кафедри ДВС Кораблебудівного інституту, підтвердили, що надії авторів на переваги двигуна цілком обґрунтовані. Не викликали вони сумніви і в організацій, які дали відгуки на проект двигуна.
Навіть у чотирициліндровому варіанті двигун повинен володіти підвищеною літровою та ефективною потужністю та зменшеною питомою витратою палива. За більшої кількості циліндрів виграш збільшується. У середньому покращення основних параметрів за обережними оцінками становить близько 10%. Чи треба говорити про те, наскільки це важливо для суден, які здійснюють дальні рейси! Тішить корабелів і збільшення моторесурсу. Поршні цієї незвичайної конструкції повністю розвантажені від бічних зусиль. А саме їхнє зношування, найчастіше, визначає долю машини. Бічні зусилля у двигуні створює лише синхронізуючий шатун. Вони невеликі і, крім того, сприймаються рамою, на якій укріплені поршні.
Подача повітря та палива здійснюється через поршні, газорозподіл - системою вікон та перепускних каналів, оскільки двигун двотактний з наддувом як у більшості суднових конструкцій. Охолодження блоку циліндрів водою може бути здійснено через два додаткові поршні. Його рух не заважає функціонуванню системи охолодження. Щоб зменшити інерційні навантаження, блок виготовляється з легких сплавів. Його маса виходить трохи більшою, ніж маса частин, що рухаються в звичайних конструкціях. Розрахунки та випробування моделі показали, що ускладненнями це не загрожує.
Оригінальний у двигуні та механізм перетворення руху. Від ударних навантажень на зуби напівшестерень при вході в зачеплення з рейкою винахідники позбулися, застосувавши зубці шестерень, що автоматично висуваються. Обертання їх валів синхронізується спеціальною парою шестерні (на рис. 9 не показана). Загалом двигун – ще один цікавий приклад пошуку шляхів удосконалення класичної схеми.
Двигун Гуськова - Улибіна. Винахідники безшатунних механізмів насамперед мають на меті позбутися тертя поршня об стінку циліндра, частку якого припадає половина (!) всіх втрат на тертя. Того ж самого можна досягти й іншим шляхом. Двигун внутрішнього згоряння, в якому тертя поршня об циліндр виключено, розроблений воро-
ськими винахідниками Г. Г. Гуськовим та Н. Н. Улиби-ним (а. с. № 323562). У цьому двигуні традиційний шатунний механізм замінено одним із механізмів П. Л. Чебишева.
І ось створений 100 років тому механізм відкриває перед поршневими двигунами нові можливості. На думку авторів, відсутність головного джерела втрат на тертя дозволить різко збільшити оберти ц моторесурс, в 1,5 рази економічність і навіть спростити конструкцію. Можна запідозрити авторів у недостатньо критичному підході до свого дітища, тим більше що за першого знайомства з проектом насторожують слова «близько прямолінійний». Однак обережні терміни говорять лише про педантичність П. Л. Чебишева в оцінці механізмів. Відхилення від прямої для конкретної конструкції двигуна (мал. 10) набагато менше від загальноприйнятих зазорів у парі «поршень - циліндр». Крім прямолінійності траєкторії, механізм має ще одну гідність - відсутність притискаючих сил на поршнях.
Ці сили – головне джерело тертя – сприймаються додатковим шатуном. При цьому втрати на тертя у додатковому шатуні становлять лише 5 - 6%, що допускає збільшення оборотів до 10 тис. за хвилину та більше.
Високооборотність дозволяє відмовитися від поршневих кілець і перейти на лабіринтне ущільнення (див. рис. 10). Ніхто не візьметься заводити звичайний ДВС за відсутності кілець – не буде компресії. Але якщо якимось чином видалити кільця у двигуна, на Рис. 10.
Лабіринтне ущільнення найкраще працює всуху. Тому мастило або буде відсутнє взагалі, або буде мінімальним, а можливі задираки запобіжить прографічення направляючих поясків поршнів. Відсутність олії в камері згоряння призведе до зниження димлення. Чи варто говорити, що нині, коли вже готуються закони про повну заборону двигунів, що димлять, цей приватний факт вельми важливий.
І нарешті, ще одна цікава особливість двигуна, реалізувати яку дозволяє механізм Чебишева. Це компресійне запалення. Зі зростанням оборотів запалювання одноелектродною свічкою часто не забезпечує потрібної якості згоряння суміші. Дві свічки, багатоелектродні свічки, електронне або фор-камерно-факельне запалювання - все це дає більш прийнятні результати.
Компресійне запалення ще ефективніше: високий - близько 30 - ступінь стиснення забезпечує в кінці такту стиснення температуру, достатню для швидкого самозаймання сильно збідненої суміші в усьому обсязі, ніж гарантується повне згоряння та підвищена економічність роботи двигуна. Застосування компресійного запалювання передбачає змінний ступінь стиснення: у міру розігріву камери згоряння потрібно зменшення ступеня стиснення. Чимало винахідницьких починань зазнало краху на цьому шляху: усілякі «еластичні» елементи в конструкції не витримали температури та навантажень від «жорсткого» згоряння (дизельної детонації). І тільки в компресійних моторчиках авіамоделей цей спосіб успішно використовується, але там регулювання ступеня стиснення проводиться самим моделістом відразу після пуску мотора.
Розрахунки авторів показали, що механізм Чебишева має чудову податливість, що дозволяє не впровадити в конструкцію ніяких додаткових «ела-
1 Суміш із надлишком повітря.
стикових» елементів і разом з тим отримати цілком прийнятний псевдозмінний ступінь стиснення. Завдяки взаємному розташуванню деталей механізму двигун автоматично пристосується до змінних умов роботи.
Повнота згоряння збідненої суміші разом з відсутністю мастила циліндра знизить концентрацію шкідливих речовин у вихлопних газах (крім окису азоту). Двигун зацікавив спеціалістів. У 1975 р. у НАМІ закінчено виготовлення дослідного зразка.
Двигун Кузьміна. Двигун із механізмом Чебишева, про який розказано вище, призначається для мотоциклів. І це не єдина новинка у скарбничці винахідників. У книзі «Мотоцикл» (С. В. Іваницький та ін., 1971), що вийшла нещодавно, написаною групою провідних співробітників ВНДІмотопрому, вказується, що «мала ефективність мастила стала стримувати прогрес двотактних двигунів». Один із шляхів вирішення проблеми - внесення різних конструктивних зміну класичну схему мастила.
Переваги роздільних систем мастила двотактних двигунів з масляними насосами- найкраще змащення деталей кривошипно-шатунного механізму; зниження нагароутворення, закоксовування кілець та димлення двигунів; роздільна заправка олії та палива - увібрала в себе система мастила, створена севастопольським винахідником. В. І. Кузьміним (а. с. № 339633). У неї є щонайменше ще дві позитивні якості: відсутність складного маслонасоса, що визначає простоту і підвищену, надійність системи, і часткова циркуляція масла по контуру циліндр - масляний бачок, завдяки чому покращується охолодження і знижується теплова напруженість двигуна.
Основні елементи системи мастила (рис. 11, а) - етф дволітровий бачок /, що вміщується в бічному ящику мотоцикла, маслопроводи 2 та вигнуті канавки 6 на дзеркалі циліндра, пов'язані з маслопроводами отворами. У циліндр масло підсмоктується за рахунок розряджання (насос не потрібен!). У нижню канавку олія надходить через три отвори 7 діаметром! мм (рис. 11, б) при русі поршня вгору від нижньої мертвої точки (НМТ) до моменту відкриття всмоктую-
ного вікна, тобто тільки в момент найбільшого розрядження в картері. У верхню канавку масло захоплюється з нижньої канавки фрикційним впливом Лоршня. При запаленні суміші частина газів, що прорвалися через замки поршневих кілець в зазор між циліндром і поршнем, видавить масло і з верхньої канавки назад в бачок. При цьому тиск у бачку зросте і в нижню канавку надійде нова порція масла.
При ході поршня до НМТ в'язка олія захоплюється вздовж похилих частин нижньої канавки, завдяки чому в зоні поршневого пальця створюється велика кількість масла. За пазами, виконаними в бобишках поршня (під палець), частина масла надходить до верхньої, а під дією гравітаційних сил і нижньої голівки шатуна. Інша частина захоплюється спідницею поршня в район масляних какалів підшипників колінчастого валу. Надходження масла відбувається до моменту збільшення тиску в картері. Таким чином, до всіх найважливіших вузлів кривошипно-шатунного механізму циклічно надходять порції свіжої олії.
Кількість масла, що надходить, автоматично (!) пов'язується з числом оборотів і навантаженням двигуна: чим більше розрядження в картері, тим більше оліїпідсмоктується у нижню канавку. Для додаткового регулювання на лінії подачі масла встановлений голчастий клапан 3, керований ручкою, що обертається дроселя (газу). Ще один маслопровід 4, яким масляний бачок з'єднаний з патрубком, що всмоктує, за карбюратором, служить для вирівнювання тиску в бачку. У цій лінії встановлений невеликий дросельний гвинт. Змінюючи його положення, можна в широких межах варіювати подачу олії в циліндр.
Дуже багато двигунів мотоциклів неабияк димлять. Почасти це пояснюється особливостями класичної системи мастила, де олія додається в пропорції 1 до 20 - 25 частин бензину, частково неписьменністю водіїв, які, вважаючи, що «кашу олією не зіпсуєш», збільшують частку олії. Мало хто з водіїв знає, що від холостого ходудо середніх оборотів (дросель відкритий наполовину) для мастила двигуна достатньо пропорції від 1:200 до 1:60. І лише за повного навантаження потрібен склад 1:20. Звичайно, класична система мастила не відповідає цим вимогам. Надлишок олії при малих навантаженнях якраз і призводить до димлення.
Через кілька років вимоги до чистоти вихлопу, що підвищилися, поставлять перед цією схемою нездоланний заслін. ДАІ вже зараз починає знімати номери з особливо димних мотоциклів, а з урахуванням претензій до класичної схеми якості змащення в найближчі роки слід очікувати широкого поширення двотактних двигунів з роздільними системами мастила.
Тому робота Кузьміна може зацікавити нашу мотопромисловість. Оригінальна система мастила могла б забезпечити безперешкодний збут ІЖів та «Коврівців» за кордоном. Можливо, доведеться подумати лише над збільшенням ефективності змащення корінного підшипника шатуна. Велика кількість масла, що надходить на підшипники колінчастого валу, вказує на можливість застосування пристрою, подібного до описаного в книзі «Мотоцикл», в якому вдало використані відцентрові сили. У решті відносин система радянського винахідника перевершує зарубіжні.
Кузьмін встановив свою систему змащення на «Ков-рівці». І ось позаду вже 50 тис. км, а поршень та циліндр мають абсолютно чисту поверхню, без найменших слідів задир. Мотоцикл не димить, краще тягне (згоряє лише чистий бензин і всі деталі чудово змащуються). Істотного зносу немає ні на поршневому пальці, ні в підшипниках шатуна та колінчастого валу, хоча зазвичай при такому пробігу шатуннопоршнева група вже потребує заміни.
Надійна система мастила дозволила підвищити потужність двигуна. Причому для цього В. Кузьмін разом із Г. Івановим застосував оригінальне рішення, на яке їх наштовхнула стаття про смерчі, що з'явилась у популярному журналі. Смерч закручує, перемішує повітря. У двигунах повніше переважування суміші збільшує повноту згоряння палива, що призводить до зростання потужності. Змінивши форму камери згоряння шляхом заварювання і виточивши в ній два вихретворні поглиблення, Кузьмін та Іванов спробували підвищити потужність двигуна. Після кількох невдалих спроб раціональна форма вихроутворюючих заглиблень була знайдена і потужність двигуна «Килимка» стала близькою до 20 л. с.!
Ефективність роботи двигуна визначається багатьма показниками, серед яких не на останньому місці стоять теплові втрати в камері згоряння. Мінімальні вони у шатрових (сферичних) камер згоряння та їх поверхня - це та межа, до якої прагнуть конструктори. Будь-які відхилення від сфери збільшують поверхню та призводять до зростання теплових втрат. У нашому випадку виграш від підвищеної ефективності згоряння, мабуть, суттєво перевищує шкоду, яка вноситься деяким збільшенням поверхні.
Термічно найбільше навантажене днище поршня. При різкому збільшенні потужності і, отже, теплової напруженості днище поршня може прогоріти. Щоб цього не сталося, на картері описуваного двигуна (в камері попереднього стиснення) розміщена деталь складної конфігурації - підпоршневий витіснювач, що видаляє нагріту суміш з-під поршня. Цим винахідники досягли інтенсивного охолодження днища поршня; турбулізували суміш у кривошипній камері і зменшили об'єм кривошипної камери, тим самим збільшивши ступінь попереднього стиснення. І тепер на «Килимку» можна сміливо пускатися в будь-які подорожі.
Автономна система мастила гарантує надійну та тривалу роботу найслабшої ланки - кривошипно-шатунного механізму/ Камера та витіснювач покращують сумішоутворення та ефективність згоряння, знижують питому витрату палива та забезпечують високу потужність - запоруку відмінних ходових якостей мотоцикла. А вони справді високі. Доля звичайних «Коврівців» 70 – 90 км/год, удосконалена машина легко розвиває 100 – 110 км/год. Довелося навіть відбалансувати колеса, тому що при високій середній швидкості тряска від небалансу, зазвичай непомітна, почала набридати. Досягши чудових результатів порівняно простими засобами, севастопольські винахідники мріють про впровадження свого винаходу. Вони готові надати будь-яку інформацію, зокрема й сам мотоцикл, зацікавленим організаціям.
Розробивши і доопрацювавши їхні ідеї, можна сконструювати машини, що перевершують мотоцикли найкращих зарубіжних фірм. Ну і, звісно, рішення севастопольців можуть знайти застосування не лише на мотоциклах, а й на будь-яких інших двигунах. Так, наприклад, нещодавно з'ясувалося, що максимальний ступінь стиснення бензинових двигунів може становити не 12, як було заведено, а 14,5 - 17,5. Термічний ККД двигуна зростає при цьому майже на 15% I. Але щоб реалізувати цей виграш, не підвищуючи октанового числа палива вище 100, в першу чергу слід застосовувати витіснювачі, що сильно турбулізують суміш. Витіснювач та камера «Килимка» якраз і є зразками такого пристрою.
Гнучкий шатун. Наші уявлення про цілу низку деталей - своєрідний стереотип. Скажімо, що таке шатун? Це фігурна пластина із двома отворами. У крайньому випадку один або обидва отвори замінюються кульовими головками. Ці дві конструкції кочують із машини в машину. І креслять, і ставлять їх, не замислюючись. Та що може бути іншого?
Погляньмо на шатун збоку. Він повинен бути строго перпендикулярним до поздовжньої осі двигуна. Але уявіть, що шатунна шийка колінчастого валу трохи непаралельна осі. Головка шатуна зрушила вбік. Уявіть тепер, що отвори нижньої та верхньої головок шатуна злегка перекосилися. Таке має місце часто-густо, хоча б і в межах допусків. У результаті вісь поршневого пальця, яка має бути паралельної осі двигуна, майже ніколи такого ідеального становища не займає.
Врахувавши похибку розточування отвору під палець і неточність установки блоку циліндрів на картер, отримаємо, що навіть за дуже високої точності виготовлення забезпечити паралельність стінок циліндра і поршня практично неможливо!
Але ж мільйони ДВС працюють! «Могли б працювати краще», - стверджує винахідник із м. Ком-сомольська-на-Дніпрі В. С. Саленко. Для цього шатун потрібно виготовляти триланковим (рис. 12) так, щоб поршень самовстановлювався по циліндру, а нижня головка - по шатунній шийці. Поблизу верхньої та нижньої головок шатуна перпендикулярно до їх отворів додаються пальцеві шарнірні з'єднання.
Важко повірити у необхідність такого ускладнення простої деталі. Але, наприклад, якщо після декількох годин обкатки розібрати будь-який двигун, то стане ясно, що «необхідність» часто аж ніяк не теоретична. Поршні багатьох ДВС роблять трохи еліптичними: у напрямку поршневого пальця їх розмір менше. Після кількох годин роботи зносу з боків теоретично не повинно бути. Насправді він найчастіше є і вказує на перекіс поршня в циліндрі. Перекіс спричинить не тільки знос поршня, а й конусність підшипників пальця та шатунної шийки, їх нерівномірний зносза довжиною. В основному ці процеси йдуть під час обкатування. Потім усе «зайве» зітреться і деталі знайдуть становище, в якому довго і справно працюватимуть. Але зазори під час обкатування неминуче збільшаться.
Шатунно-поршнева група визначає ресурс двигуна. Застосувавши триланковий шатун, все «зайве», що стирається при обкатці можна буде корисно використовувати - збільшити моторесурс. В. С. Саленко виготовив кілька триланкових шатунів для мотоциклів та двигуна автомобіля «Москвич». Двигун «Москвича», зібраний у кустарних умовах (!), незважаючи на те, що зазори у всіх шарнірних з'єднаннях становили 0,005 діаметра, при обкатці заводився легко і на найменших обертах працював чітко та стійко.
Двигуни зовнішнього згоряння
Увага до двигунів зовнішнього згоряння пояснюється головним чином двома причинами: тим, що спалювання палива поза камерою згоряння дозволяє різко знизити кількість шкідливих домішок у газах, що відпрацювали, і тим, що ККД таких двигунів може бути істотно вище, ніж у інших.
Насамперед це поршневі двигуни, що реалізують цикли Стірлінга та Еріксона, і... парові машини. Зараз найбільш відомий цикл Стірлінга, який відрізняється від циклу Еріксона тим, що нагрівання та охолодження газу виробляються при постійному обсязі по ізохорі, а не при постійному тиску - по ізобарі (рис. 13). При рівних верхньому і нижньому рівнях температур двигуни Стірлінга та Еріксона з регенераторами мають однаковий ККД, але економічність «стир-лінгу» вища, тому що для нагрівання газу по ізохорі необхідні витрати тепла менші. З рис. 13 випливає, що. корисна робота, Що характеризується Т - S діаграмі площею циклу, у двигунів Стірлінга також вище.
Цікаво відзначити, що обидва двигуни з'явилися в епоху розквіту парових машин і аж до початку ХХ століття випускалися у значних кількостях. Однак реалізувати їхні переваги на той час нікому не вдалося і в першу чергу через крайню громіздкість, вони були повністю витіснені ДВС.
Друге народження двигуна Стірлінга відбулося у 50-х роках. І перший досвідчений зразок приголомшив творців небувало високим ККД, рівним 39% (теоретично до 70%). Розглянемо принцип його дії (рис. 14).
У двигуні є два поршні та дві камери: стискування (між поршнями) та нагріву (над верхнім поршнем). Через центр оснрвного робочого поршня 1 проходить шток, на якому укріплений другий поршень 2, на.
Завдяки конструкції паралелограмного механізму рух поршня-витіснювача відстає фазою від руху основного поршня. Поршні то максимально зближуються, то віддаляються один від одного. Зміна обсягу газу між поршнями на малюнку відображено двома пунктирними кривими. Площа між ними відповідає зміні об'єму затисненого простору, а нижня крива характеризує зміну об'єму над робочим поршнем. Коли поршні рухаються назустріч один одному, робочий газ у камері стиснення стискається (тільки за рахунок руху поршня / вгору) і одночасно витісняється в холодильник 3 і далі через регенератор 4 камеру нагріву. Регенерувати – значить відновлювати. У регенераторі газ приймає тепло, яке регенератор прийняв від порції газу, яка раніше пройшла через нього у зворотному напрямку. Після цього газ потрапляє в головку машини (камеру нагріву), що постійно обігрівається зовнішнім джерелом тепла. Тут газ швидко нагрівається до температури 600 - 800 ° С і починає розширюватися. Газ, що розширюється, піде через регенератор і холодильник, в якому його температура ще знизиться, в камеру стиснення, де він здійснить механічну роботу.
Поршень-витіснювач, рухаючись вгору, виштовхне весь газ з камери нагріву камеру стиснення. Після цього цикл повторюється. Отже, машина перекачує
тепло з камери нагрівання з високою температурою в камеру стиснення з навколишнього простору. Енергія, придбана газом у камері нагріву, перетворюється на механічну роботу, що знімається з валу двигуна.
До переваг «стирлінгу», крім високих ККД та стерильності, необхідно додати ще одне – здатність працювати на будь-якому виді палива чи теплової енергії, а також безшумність та плавність роботи. Цими якостями існуючі «стирлінги» не в останню чергу завдячують приводу.
Перші випущені ринку «стирлінги» мали простий кривошипний привід з двоколінним валом зі зрушеними приблизно 70° шийками. Це забезпечувало непоганий робочий процес, але машини вібрували – врівноважити такий привід цілком неможливо. У наступних модифікаціях з'явився паралело-грамовий привід. Вібрація практично зникла (рідкісний успіх!), але робочий процес злегка погіршився. З двох зол вибирають менше: немає вібрації - вища надійність.
Погіршення процесу пояснюється тим, що реальний цикл суттєво відрізняється від теоретичного. На рис. 13 (в координатах Т - S) всередині ідеального паралелограма, що характеризує цикл Стірлінга, показаний овал - він і відображає реальні процеси. На малюнку (схема IV) представлений той же цикл у звичних двигунистам координатах Р - V. Завдання
Мал. 14. Схема роботи двигуна Стірлінга:
1 робочий поршень; 2 - поршень-витіснювач; 3 – холодильник; 4 - регенератор
приводу - максимально наблизити овал до ідеальних контурів, не погіршуючи механічних якостей двигуна.
Паралелограмний привід, застосований голландськими інженерами для вдосконаленої моделі, відповідав цій умові лише частково. Набагато краще рішення (рис. 15) запропонували узбецькі вчені та інженери Т. Я. Умаров, В. С. Трухов, Ю. Є. Ключевський, Н. В. Борисов, Л. Д. Меркушев – співробітники відділу геліофізики Фізико-технічного інституту АН Узбецької РСР.
У старому приводі (рис. 15 а) траєкторія точок кривошипа, що визначають рух поршнів, - коло. У новому приводі (рис. 15 б) для поршня-витіснювача - коло, для робітника - еліпс. Це дозволяє, зберігши всі переваги паралелограмного приводу, домогтися кращого узгодження руху поршнів і наблизити реальний цикл до ідеального. Рішення захищене авторським свідоцтвом №273583.
Головний недолік«Стірлінгів» - громіздкість. на 1 л. с. потужності в побудованих конструкціях припадає 4 – 5 кг проти 0,5 – 1,5 кг у звичайних двигунах. Зменшити вагу можуть допомогти кілька винаходів Т. Я. Умарова, В. С. Трухова та Ю. Є. Ключевського. У двигуні з а. с. № 261028 поршень-витіснювач на окремих етапах свого руху виконує функції поршня робітника, тобто використовується ефективніше. Погляньте на рис. 15 ст. Коли обидва поршні рухаються вгору, у стиску бере участь і той, і інший. Досягнуто це завдяки тому, що робочий поршень розміщений усередині поршня-витіснювача. Те саме відбувається в момент розширення - робочого ходу. У результаті рівномірно навантажений привід, підвищується частка робочого ходу у загальному циклі, скорочені габарити і, отже, вага машини.
Ще менші розміри має двигун з а. с. № 385065 тих самих авторів (рис. 15, г). Крім розміщення робочого поршня всередині поршня-витіснювача, останній виконаний із замкненою внутрішньою порожниною, в якій розміщений привід, що складається з колінчастого валу та пари конічних шестерень. -Інтерес ташкентських вчених до двигунів зовнішнього згоряння – не просто захоплення модною темою. Вони необхідні їм як один із елементів простих, надійних та ефективних геліосистем. Зібрані в пучок сонячні промені почнуть рухати «стирлінг» будь-якої мислимої конструкції, і ефективність такої системи істотно перевищить ефективність сонячних батарей- або тепло-акумуляторів.
Двигуни з циклами зовнішнього згоряння таять у собі дивовижні можливості. І можна сміливо сказати, що увага винахідницьких та інженерних кіл до них явно недостатня. Приклад тому авторське свідоцтво № 376590 інженера В. І. Андрєєва та доктора технічних наук А. П. Меркулова. У їхньому двигуні (рис. 16) застосований безшатунний механізм 6 С. С. Баландіна. «Стірлінг» з механізмом С. С. Баландіна став набагато компактнішим. Але суть винаходу не в цьому: камери нагрівання 7 нового двигуна пов'язані тепловими трубками 5 - надпровідниками тепла. Випаровування та конденсація поміщених у них речовин забезпечують практично миттєву передачу великого стосовно розмірів потоку тепла від одного кінця трубки до іншого.
Трубки дозволили винахідникам знайти правильне вирішення однієї із проблем двигунів зовнішнього згоряння – нерівномірного відбору тепла. У теплових циклах звичайних ДВЗ підведення тепла проводиться в певний час. А у двигунах зовнішнього згоряння нагрівання головки йде постійно. В результаті в моменти коли відбору тепла немає, головки перегріваються. Доводиться знижувати температуру нагріву, а це прямо позначається на ККД: що нижча температура, то він нижчий. Прикро, але нічого не вдієш: застосування термостійких матеріалів знижує коефіцієнт теплопередачі, застосування теплопровідних – вимагає знизити допустиму температуру нагрівання головки.
Двигун Андрєєва та Меркулова двосторонньої дії. Коли робочий хід з одного боку поршня закінчується, теплові трубки перекачують надлишок тепла в протилежну камеру нагріву. Тим самим температура зони нагріву вирівнюється і її можна суттєво підвищити. Двосторонньою дією новий «стерлінг» завдячує механізму С. Баландіна. З усіх відомих лише механізм С. Баландіна дозволяє здійснити двосторонню дію з максимальною вигодою при мінімальному збільшенні габаритів та максимально можливому механічному ККД.
У двигуні Андрєєва - Меркулова поршні-витісняльники 2 і основні робочі поршні 1 встановлені в окремих циліндрах, а з кожного боку поршня розташована самостійна камера. Камери попарно з'єднані між собою трубопроводами, де укріплені ребра холодильників. У кожній парі камер здійснюється цикл одноциліндрового "стирлінгу".
На схемі, що ілюструє принцип дії одноциліндрового «Стирлінга» (див. рис. 14), добре видно асинхронність руху поршнів, що забезпечує паралелограмним механізмом. Той самий ефект досягається і в безшатунному механізмі С. Баландіна і в будь-якому іншому багатошатунному механізмі, якщо шийки колінчастого валу змістити на деякий кут.
Коефіцієнт корисної дії вже збудованих двигунів зовнішнього згоряння досягає 40%. За розрахунками В. Андрєєва та А. Меркулова підвищити його мінімум на 15% можна, лише застосувавши теплові трубки. Не менше дасть механізм С. Баландіна. Реальний ККД машининаблизиться до теоретичного – 70%? Це майже вдвічі вище, ніж у найкращих ДВС нашого часу. Додайте сюди "стерильність" двигуна Стірлінга.
За кордоном випробували двигун зовнішнього згоряння для легкового автомобіля. Виявилося, що концентрація СО у вихлопних газах знизилася у 17 – 25 разів, оксидів азоту – майже у 200 (!), вуглеводнів – у 100 разів.
«Стірлінг», спроектований В. Андрєєвим та А. Меркуловим, при потужності 50 л. с. важить 70 кг, чи 1,4 кг/л. с. - на рівні найкращих зразків карбюраторних автомобільних двигунів. І це не перебільшення. В результаті використання механізму С. С. Баландіна скоротився габарит, а від -тиску в картері автори позбулися установкою на штоку гумової мембрани, що перекочується, яка здатна витримувати тиску до 60 кг/см2 (зазвичай в запоршневому просторі цих двигунів близько 40 кг/см2). Теплові трубки збільшили потужність за тих же габаритів. Незабаром після отримання авторського свідоцтва винахідники виявили виданий трохи пізніше фірмі «Дженерал моторе» патент США, де обумовлено застосування теплових трубок для підведення тепла всередину двигуна зовнішнього згоряння. Сенс один, суть дещо різна.
Двигуни зовнішнього згоряння відомі понад 150 років. Коефіцієнт корисної дії першого з них дорівнював 0,14%! Можна сказати, що вони народилися раніше часу. Істотні недолікидовгий час тримали їх на задвірках. Сплески технічної думки, подібні до ідеї В. Андрєєва та А. Меркулова, відкривають перед ними зелену вулицю.
Існує й інший найцікавіший шлях наближення ефективності «Стірлінгів» до теоретичної, також знайдений радянськими вченими – співробітниками Інституту ядерної енергетики АН БРСР. У ряді авторських свідоцтв № 166202, 213039, 213042, 201434. авторами яких є І. М. Ковтун, Б. С. Онкін, А. Н. Наумов, С. Л. Косматов, викладаються способи, що дозволяють обійти вікову заборону термодинаміки теплові машини з ефективністю вищі, ніж у циклу Карно. Це твердження, яке спростовує азбучні істини, відомі всім теплотехнікам, звучить здавалося б парадоксально. І водночас такі машини можливі. У всіх фундаментальних працях, присвячених тепловим машинам, передбачається, що властивості робочих тіл - газів під час роботи не змінюються. Суть шляху, запропонованого білоруськими вченими, – зміна цих властивостей. Останнє можливе, якщо під час циклу у робочих газах або їх сумішах відбуваються оборотні хімічні реакції. Так, наприклад, термічний ККД турбіни може бути збільшений утричі, якщо при нагріванні робоче тіло дисоціюватиме, а при охолодженні рекомбінувати. Такими тілами можуть бути газоподібна сірка, йод, оксиди азоту, кобальт, трихлористий алюміній.
Зокрема, трихлористий алюміній уже зараз розглядається як перспективне робоче тіло для «геліостірлінгів», яке працюватиме в космосі. Головна проблема при цьому – відведення тепла від холодильника. Іншого шляху, ніж випромінювання тепла у простір, там немає. Щоб цей процес був ефективним, температура холодильника-радіатора повинна бути досить високою, не менше 300 ° С. Верхня межа температури такий же, як на Землі: від 600 до 800 ° С. Його обмежує теплостійкість існуючих матеріалів. У умовах ефективність звичайного «Стирлінга» істотно знижується, а застосування дисоціюючого газу дозволить у 2 - 3 разу збільшити потужність, а й приблизно вдвічі підвищити ККД.
Безперечно, що від таких переваг гріх відмовлятися і на Землі. Тому тим, чия діяльність пов'язана з тепловими машинами, можна порекомендувати уважно вивчити роботи білоруських вчених. У них таються і можливість створення великих
теплових машин із ККД, близьким до 100%, та база для спорудження автомобільних двигунів зовнішнього згоряння небаченої економічності.
Перші позитивні результати вже є. Голландські інженери змусили робоче тіло холодильної машини, що працює за циклом Стірлінга, здійснювати фазові перетворення і вдвічі збільшили її холодопродуктивність. Тепер справа за двигунами-стами!
Парові двигуни. Розповідаючи про двигуни зовнішнього згоряння, не можна не згадати про парові машини. Цей вид приводу, який ще 100 років тому був найпоширенішим, сьогодні розцінюється як екзотичний. А це пояснюється лише тим, що ДВС практично витіснили парові машини з автомобілів, хоча дрібносерійне виробництво паромобілів існувало аж до... 1927 р.
Ентузіасти пари наводять багато аргументів на користь відродження двигуна наших дідів. І насамперед міркування про високу «стерильність» двигуна. У цьому відношенні парова машина має ті ж переваги, що і двигун Стірлінга: у продуктах згоряння теоретично присутні лише двоокис вуглецю і водяна пара, а кількість окису азоту може бути навіть ще меншою, оскільки необхідна температура набагато нижча. Крім того, в результаті більш повного згоряння загальна кількість «вихлопу» порівняно з ДВЗ нижча приблизно на 1%.
Не низький і ККД сучасних парових машин. Він може бути доведений до 28% і, таким чином, можна порівняти з ККД карбюраторних ДВС. При цьому слід зазначити, що, наприклад, загальна ефективність електромобілів (з урахуванням процесу отримання електроенергії) не перевищує 15%, тобто в глобальному масштабі парк «стирлінгів» та паромобілів забруднював би атмосферу практично вдвічі менше, ніж аналогічний парк електроекіпажів. А якщо врахувати і виняткові експлуатаційні якості парових машин, то відновлення інтересу до них вже не здається необґрунтованим. Про відновлення інтересу свідчать не лише журнальні статті та «свіжі» патенти, а й торгівля патентами на парові машини.
Принципова схема одноконтурного варіанта парового автомобільного двигуна наведена на рис. 17. Джерело тепла / доводить до кипіння робочу рідину в котлі 2. Саме «робочу рідину», оскільки нею може бути не тільки вода, але й інші агенти з прийнятними температурами кипіння (конденсації) та теплотехнічними параметрами. Одним із перспективних агентів є, наприклад, фреон-113, температура кипіння якого (48° С) вдвічі нижча, ніж у води.
Через розподільчий механізм 3 пар надходить у власне паровий двигун 4. Відпрацьована пара конденсується потоком повітря від вентилятора 5 в конденсаторі 6, попередньо віддавши частину тепла рідини в рекуперативному теплообміннику 7. У теплообмінник і далі в котел рідина подається насосом 8. Такі елементи схем двигун 4, конденсатор € (радіатор) та насос 8, входять до складу будь-якого автомобіля. Додаються лише котел 2 з нагрівачем 1 та теплообмінник 7.
Як двигун 4 можуть бути використані практично будь-які як поршневі, так і ротаційні машини або навіть турбіни. Тому до парового приводу можна застосувати майже всі технічні рішення, описані в цій брошурі.
Переваги описаних механізмів разом із особливостями парових машин дозволять створити високоефективні приводи транспортних засобів. Адже абеткові переваги сучасних автомобілів - безшумність, прийомистість, плавність ходу - відносні. Справжньому змісту цих слів повною мірою відповідають паромобілі. Вони немає різкої зміни тиску при вихлопі, отже, немає головного джерела шуму, а заразом і системи глушення звуку вихлопу. Мало хто міг останнім часом бачити паромобіль. А от паровози пам'ятають, мабуть, усі. Згадаймо, що навіть з важким складом рушали з місця вони абсолютно безшумно та виключно плавно.
Плавність ходу та незвичайна прийомистість паромобілів пояснюються тим, що характеристика парової машини якісно відрізняється від характеристики ДВЗ. Навіть при мінімальному числі обертів за хвилину її момент, що крутить, не менше ніж у 3 - 5 разів вище крутного моменту ДВС з порівнянною потужністю при оптимальному числі обертів. Високий момент, що крутить, забезпечує чудову динаміку розгону паромобіля. Якщо карбюраторні ДВЗ потужністю 50 л. с. забезпечують розгін автомобіля до швидкості 100 км/год приблизно за 20 с, то паровій машині для цього потрібно вдвічі менше часу.
Важливо й те, що ніякого перемикання передач при розгоні не потрібно, високий момент, що крутить, у парового двигуна зберігається у всьому діапазоні числа обертів - від нуля до максимальних. Коробки передач тут просто непотрібні. Згадайте: у тих паровозів їх ніколи не було. Перевагою парового двигуна є і відносно низька кількість обертів, що, у свою чергу, зумовлює підвищену довговічність. Навіть при передатному відношенні від коліс до двигуна, що дорівнює одиниці, обороти не перевищать 2000 - 3000 за хвилину при швидкості екіпажу до 200 км/год (!), а звичайний інтервал оборотів ДВЗ - 3000 - 6000 об/хв.
Але незважаючи на низьку кількість оборотів, питомі потужнісні показники парового двигуна перевершують аналогічні показники ДВЗ. Наприклад, отримати у парового двигуна питому потужність 400 - 600 л. с./л (при 2500 - 3000 об/хв) дуже легко. Доля звичайних ДВЗ всього 50 - 100 л. с./л і лише окремі двигуни з механізмом С. Баландіна мають схожі показники.
Ну і, нарешті, надійність парових машин займає аж ніяк не останнє місце в ряду їхніх переваг. Ще й зараз можна зустріти на запасних шляхах працюючі паровози будівлі початку століття. І їхні парові двигуни у повній справності. Причини тому - Низька кількість оборотів, сталість температурного режиму (температури пари), низький рівеньмаксимальних температур - в 5 - 6 разів менше, ніж у ДВЗ, повна відсутність таких неприємних процесів, як нагароутворення і закоксування, і абсолютна чистота робочого агента, що циркулює в замкнутому контурі (у ДВЗ повну очистку повітря здійснити не вдається).
Звичайно, виникає питання, які ж причини заважають паровій машині знову зайняти гідне місце в ряду сучасних двигунів?
Насамперед це мала економічність і, як наслідок, підвищена в 1,5 - 3 рази витрата палива. Коефіцієнт корисної дії поршневих парових машин тільки може бути доведений до 28%, а у побудованих зразків він значно нижчий. Адже ККД паровозів, на яких парова машина існувала найдовше, вже етан синонімом низької ефективності: він ледве досягав 10% у найкращих моделейіз частковою зворотною конденсацією пари. Щоправда, цикл парових машин було розімкнуто. Застосування замкнутих циклів з ефективними регенеративними теплообмінниками дозволить суттєво переступити 10-відсотковий рубіж. На одному з повідомлень, присвяченому «новому» паровому двигуну, вказувалося, що ефективність генератора пари (котла) дорівнює 90%. Приблизно такою самою величиною характеризується ефективність процесу згоряння ДВЗ. Але і навіть при вищій витраті палива експлуатаційні витрати на паромобіль можуть бути близькими до його бензинового конкурента, оскільки спалювати можна найдешевше паливо.
Друга причина – це висока вартість силової установки. Третьою причиною вважається велика вага па-
1 У парових турбін із замкнутим контуром ККД досягає 29%.
ровий машини. Проте вже з вищевикладеного випливає, що загальна вага екіпажів, що порівнюються, буде практично однаковою. Таким чином, в даний час немає жодних серйозних причин, що заважають паровій машині знову зайняти гідне місце в ряді незвичайних двигунів.
Роторно-поршневі двигуни внутрішнього згоряння
У цьому розділі йдеться про двигуни, яким автори численних публікацій часом обіцяють блискуче майбутнє. І, звісно, на першому місці стоїть двигун Ванкеля.
Але чи так райдужні його перспективи? Економісти всіх країн єдині на думці, що тільки не менш як 25% переваги за основними показниками забезпечують «новій техніці» право на беззаперечну заміну «старій».
Пройшло понад 15 років з моменту появи першого промислового зразка двигуна Ванкеля. Термін значний. І виявляється, що переваги «ванкелю» у вазі становлять лише 12 – 15%; переваг за вартістю та довговічності немає, і лише обсяг, який займає двигун під капотом автомобіля, зменшений на 30%. При цьому розміри автомобілів практично не скорочуються.
Реальність спростовує і все ще існуючі твердження про «малодетальність» цього двигуна. Один його ротор має 42 - 58 ущільнювальних елементів, у той час як у порівнянного ДВЗ їх близько 25, включаючи клапани.
Ще гірші справи з багатороторними двигунами. Їх потрібні складні картери, дорога система охолодження, багатодетальний привід. Вже тільки двороторний «ванкель» містить шість об'ємних виливків складної конфігурації, а рівнозначний поршневий двигун – всього 2 – 3 набагато простіші та технологічніші.
Складна технологіявиготовлення епітрохоїди - внутрішнього профілю кожного картера, покриття статорів та численних ущільнювальних елементів дорогими матеріалами, ускладнене складання зводять нанівець усі потенційні переваги «ванкелів».
І хоча вже на автосалонах 1973 був представлений чотирироторний двигун потужністю 280 л. с. (об'єм 6,8 л; 6300 об/хв), областю застосування «ванкелів» залишаться одно-двороторні конструкції. Чотирьохроторний зразок побудувала фірма «Дженерал моторе» (США) для спортивної моделі«Шевроле-Корветт», випуск якої невеликими серіямипланується розпочати з 1976 р. у запасі у. фірми є і двороторний зразок (4,4 л; 180 л. с. при 6000 об/хв). Проте встановлюватимуть ці двигуни лише на прохання покупця. У 1974 р. розпочато дрібносерійний випуск французького варіанта двороторного двигуна (1,2 л; 107 л. с.) для спортивної моделі «Сітроен-Біротор».
Слід зазначити, що ці практично єдині у світі зразки випущені фірмами, які вклали значні кошти у придбання ліцензій та відпрацювання конструкції та технології виробництва. Витрати, звісно, вимагають віддачі, але випуск моделей швидше за все переслідує престижні цілі. На думку експертів, будь-які роторні двигуни можуть стати конкурентоспроможними лише за умови значного зниження їхньої вартості та витрати палива (!). А тут у «ванкеля» справи якраз неважливо.
Але навіть при виконанні цих вимог для масового випуску роторних двигунів, наприклад, американської промисловості знадобиться не менше 12 років. Прогнозні дані про перспективи інших типів двигунів говорять про те, що цей перехід здійснюватися не буде. Мабуть, з цих причин такі автогіганти, як фірми "Форд" і "Крайслер", витративши чималі кошти на розробку "ванкелів", повністю згорнули цю тематику.
В останні роки в пресі з'явилося багато повідомлень про роторний двигун, що розробляється в Австралії винахідником Ральфом Сарич. Журналісти і, мабуть, не без допомоги автора примудрилися так затуманити повідомлення, порівнюючи двигун і з турбінами, і з «ванкелем», і з іншими двигунами, що просто необхідно зупинитися на його конструкції.
В основу двигуна покладено принцип роботи коловратного насоса, пластини якого розмежовують камери змінного об'єму. Побудовані зразки двигуна мають сім робочих камер (рис. 18, а), причому в кожній встановлені свічки запалювання та впускний та випускний клапани (рис. 18, б). Ротор виконаний семигранним та здійснює ексцентричні коливання під впливом центрального кривошипного валу. Лопатки двигуна П-подібні (рис. 18, в). У радіальному напрямку вони коливаються в пазах корпусу, а ротор щодо лопаток одночасно переміщається по дотику до кола. Для забезпечення переміщення лопаток і щільного контакту нижньої грані лопатки з ротором на планках встановлені ролики, поміщені в спеціальний паз корпусу.
Середні швидкості взаємного переміщення деталей щодо невеликі та теоретично оберти двигуна можуть досягати 10 тис. за хвилину. Якщо порівняти цей двигун з «ванкелем», то максимальний шлях, що проходить за один оберт ущільнювальним елементом, складе відповідно 685 і 165 мм. Система ущільнень містить близько 40 деталей, що можна порівняти з «ванкелем».
Побудовані зразки при 4000 об/хв та вазі 64 кг розвивають 130 – 140 л. с. Робочий об'єм двигуна
3,5 л, тобто літрова потужність – на рівні звичайних двигунів і становить близько 40 л. с./л. При форсуванні цей показник може бути збільшений приблизно вдвічі.
Мал. 18. Схема двигуна Р. Сарича:
а – поперечний резрез; б - такт стиснення в одній із камер; в - лопатка двигуна
До недоліків двигуна відноситься дуже висока теплонапруженість, що вимагає застосування набагато потужніших водяних і масляних систем. При випробуваннях виявилося, що найбільш навантажений та слабкий вузол – ролики пластин. Тому в найближчому майбутньому характеристики двигуна навряд чи можуть бути суттєво покращені.
В цілому схему двигуна визнати оригінальною не можна, так як запатентовано безліч схожих на неї, що відрізняються лише другорядними деталями. Тому головна заслуга Р. Сарича полягає в тому, що він взяв на себе працю її доведення і досяг певних результатів. Якоїсь революції його двигун не зробить, і, мабуть, найважливіше в роботі Р. Саріча лише те, що він привернув увагу інженерної громадськості до схем, побудованих на принципі дії коловратних машин.
Є ентузіасти цієї схеми у нашій країні. Так, мешканець селища Сари-Озек Талди-Курганской області Г. І. Дьяков навіть побудував макетний зразок такого двигуна з ротором, що обертається, тобто за схемою, де умови роботи пластин гірші. Випробування двигуна поки що не проводилися.
Сфероїдальні двигуни. У 1971 р. у Журналі «Винахідник і раціоналізатор» з'явилася стаття про сфероїдальний двигун воронезького винахідника
Мал. 19. Схема трансформації шарніра Гука в сфе-роідальний двигун:
1 – хрестовина; 2 – діафрагма; 3 – виделки; 4 – сегменти; 5 - сферична оболонка
Г. А. Соколова. В основу двигуна покладена здатність шарнірного з'єднання Гука трансформуватися в механізм, що має чотири порожнини, об'єм яких при обертанні змінюється від мінімуму до максимуму. В одній або двох порожнинах можна організувати цикл ДВЗ. Приклад трансформації показано на рис. 19. Якщо хрестовину 1 шарніра перетворити на круглу діафрагму 2 з кульовою зовнішньою поверхнею, а вилки 3 шарніру замінити плоскими сегментами 4 і помістити ці три елементи в сферичну оболонку 5, то вийде механізм, здатний виконувати функції двигуна. Для цього у відповідних місцях сферичної оболонки необхідно виконати лише впускні та випускні вікна та... СШДД готовий.
Після статті про цей незвичайний двигун надійшло понад 300 листів. «За» та «проти» висловлювалися професори, студенти, інженери, директори підприємств, пенсіонери, механіки та ін. Десять заводів повідомили, що могли б випускати двигун. Багато листів надіслали клуби спортсменів-водомоторників. Були пропозиції про використання СШДД як гідромотор або насос для тепловозів, човнового мотора, пневмодвигуна для ручного інструменту, компресора, силової установки експериментального стенду. Тому редакція журналу розіслала близько 40 запрошень інститутам, КБ, заводам та редакціям журналів із пропозицією зібратися за «круглим столом».
На зустрічі відповідальний секретар редакції привернув увагу присутніх до двох парадоксів: тому, що ВНДІГПЕ, протиставивши лише патенти, видані в минулому столітті, відхилив заявку на винахід головним чином через «відсутність корисності» і тому, що інженерна громадськість не знає про існування таких двигунів.
До зустрічі у багатьох викликала сумнів працездатність виделок шарнірного з'єднання, можливість їх змащення, висока габаритна потужність (через невигідну щілинну форму камери згоряння та поганого, наповнення, обумовленого контактом свіжої суміші з розпеченою діафрагмою) та герметичність камер згоряння.
1 Винахідник В. А. Когут запропонував називати двигуни цього типу сфероїдально-шарнірно-діафрагмовими двигунами (СШДД).
Демонстрація діючого макета двигуна зі сферою діаметром 150 мм, який при тиску стисненого повітря, що подається в нього, 14 кг/см2 розвивав 4500 об/хв, переконливо свідчила про можливість створення працездатної конструкції такого типу. Діаметр пальця шарнірного з'єднання може досягати 60 мм. При таких розмірах питомі тиску на контактних поверхнях неважко знизити до будь-якої бажаної межі. Працездатність ущільнення діафрагми макетного зразка сумнівів у більшості присутніх не викликала.
Також був представлений ще один двигун з діаметром сфери 102,8 мм. Його побудував винахідник А. Г. Заболоцький, який нічого не знав про роботу Г. А. Соколова. У режимі пневмодвигуна його конструкція пропрацювала близько 40 год, розвиваючи до 7000 об/хв. Ні підвищених вібрацій, ні зношування за цей час не виявлено. А зазори між сферою та діафрагмою у цій моделі були навіть надто малі, тому що при «гарячих» випробуваннях двигун заклинювало.
У процесі дискусії про надійність ущільнення СШДД з'ясувалося, що, наприклад, у двигунах Ван-келя швидкості ковзання ущільнювальних пластин порівняно з кільцями звичайних поршневих двигунів набагато вище, а разом з тим ці двигуни досить успішно працюють. У СШДД швидкості ковзання можуть бути навіть нижчими. Так що для сучасної промисловості, здатної створювати двигуни будь-якої конструкції, проблема надійності ущільнення швидше за все не є складністю. Надійність ущільнення значною мірою залежатиме від точності обробки внутрішньої поверхні сферичної оболонки. Досвід А. Г. Заболоцького, який побудував двигун у майстерні Верхньодонського плодосовгоспу, що має тільки токарний верстат, говорить про те, що необхідну точність обробки сфери можна отримати навіть у напівкустарних умовах. Простоту обробки сфери підтвердило і виготовлення на Середньоволзькому верстатозаводі іншого сфероїдального двигуна. Там робітники застосували внутрішньошліфувальний верстат із поворотним столом.
Кут між осями шарнірів у сфероїдальних двигунах досягає 35 - 45 °. При цьому нерівність кутових швидкостеймало б призвести до появи великих знакозмінних інерційних моментів і, як наслідок, до величезної вібрації. Обкатка дослідних зразків на стислому повітрі небезпечних вібрацій не виявила. Навантаження витримали навіть гвинти М3, якими стягнуті півсфери в двигуні Г. А. Соколова. Не вважає небезпечними великі кути і В. І. Кузьмін, який проживає в Герсоні, професійна діяльність якого вже 15 років пов'язана з шарнірами Гука. "Конструкцію двигуна Соколова схвалюю", - телеграфував він "круглому столу".
Відсутність вібрацій в СШДД з великим кутом між осями (при кутах більше 10 ° шарніри Гука зазвичай намагаються не застосовувати) можна пояснити демпфуючим дією робочого середовища. А оскільки навантаження прикладено лише з одного боку шарніру, нерівномірність обертання вільного від навантаження валу не призводить до появи значних інерційних моментів.
Ті, хто зібрався за «круглим столом», дійшли висновку, що переваги та недоліки СШДД може виявити лише експериментальна перевірка. Така сама думка міститься у листі професора кафедри ДВС МВТУ ім. Баумана А. С. Орліна. Він побажав автору «найшвидшого втілення його задумів у металі та випробуваннях», оскільки лише випробування «дозволять вирішити всі спірні питання». Випробування, а тим більше будівництво досвідчених зразків двигунів далеко не проста справа: тільки доведення звичайного двигуна навіть у заводських умовах триває 4 - 5 років.
На «круглому столі» було представлено добірку патентів з сфероїдальних двигунів. Хоча науково-технічна література не містить відомостей про них, патентні архіви говорять про те, що Г. А. Соколов та А. Г. Зоболоцький не першими помітили чудову здатність шарніра Гука трансформуватися у двигун чи насос. Перший схожий англійський патент відноситься до 1879, останні - вже до нашого часу. Не обійдено цю схему увагою і класифікаційної таблиці всіх мислимих схем роторнопоршневых двигунів, що у книзі Ванкеля про роторних двигунах.
Хаким чином, сфероїдальним двигунам, виконаним на основі шарніру Гука, просто не пощастило.
Не знайшлося в історії моторобудування людини, яка б взяла на себе працю їх доведення.
В даний час до цієї роботи грунтовно готується Г. Соколов (Воронезький політехнічний інститут) та низка інших ентузіастів. Соколовим уточнено фази газорозподілу, відлито зі спеціального антифрикційного сплаву (сплаву Баклана) напівсфери, проведено численні розрахунки, які так і не виявили неприпустимих навантажень.
Другим центром будівництва СШДД став Херсон «Теоретик карданів», як його величали на зустрічі за «круглим столом», Віктор Іванович Кузьмін настільки зацікавився цією незвичайною схемою, що взявся за будівництво. До роботи він залучив групу робітників, студентів, аспірантів. Двигун виготовлений в металі н тепер справа за випробуваннями.
У 1974 р. стало відомо про ще один сфероїдальний двигун. Молодий, що проживає в Цілинограді
Мал. 20. Двигун В. А. Когута. Робочий об'єм 1600 см ®; діаметр сфери 210 мм; число оборотів 2500 об/хв; потужність 65 л. с.; вага 45 – 65 кг; нахил осей 30е:
1 – діафрагма; 2 я 3 - сегменти; 4 і 5 - кільця ущільнювачів; € «ущільнювальні пластини; 7 – пальці; 8 – дистанційні втулки; 9 – маховик; 10 - перепускний трубопровід; 11 - тепловідвідні стрижні
конструктор із сільськогосподарських машин Валерій Альвіанович Когут давно обміркував ідею подібного двигуна і, дізнавшись про роботу Соколова, побудував діючу модель (рис. 20). Двигун був виконаний без системи охолодження і при доведенні працював по кілька хвилин до моменту перегріву в загальній складності більше 2 год. Слід зазначити, що така тривалість роботи - своєрідний рекорд. Сфероїдальні двигуни інших авторів працювали менш тривало.
Двигун складається з діафрагми 1 та двох сегментів 2, 3, шарнірно з'єднаних з діафрагмою. Вали сегментів обертаються у підшипникових вузлах. Ущільнення сегментів і діафрагми здійснюється кільцями 4, 5, ущільнення між сегментами і діафрагмою - пружними пластинами 6. У тілі діафрагми розміщені чотири пальці 7, до яких за допомогою дистанційних втулок 8 пригвинчені сегменти 2, 3 (див. переріз 1).
Цикл двигуна двотактний. У лівій половині сфери (з боку маховика 9) здійснюється -попереднє стиснення суміші, що надходить з автомобільного карбюратора. По перепускному трубопроводу суміш 10 направляється в праву половину сфери. У зображеному малюнку положенні у верхній частині відбувається продування, у нижній починається робочий хід.
Змащування та охолодження правого сегмента 3 та діафрагми / повинні здійснюватися маслом, що подається через правий підшипниковий вузол. Крім цього, з торцевою поверхнею правого сегмента контактують кілька пружних тепловідвідних стрижнів 11, за якими тепловий потік «стікає» до корпусу ребре підшипникового вузла. З лівого боку діафрагма охолоджується свіжою робочою сумішшю.
Випробування двигуна У. Когута, під час яких його вузли модернізувалися, доводять принципову працездатність цієї схеми. Конструктивно і технологічно СШДД значно простіше двигуна Ванкеля. Реальні переваги стануть зрозумілими у найближчому майбутньому після випробувань двигунів Соколова, Кузьміна, Когута.
1 Розташування продувного та вихлопного вікон на рис. 20 показано умовно.
За «круглим столом» журналу «Винахідник і раціоналізатор» куйбишевський винахідник В. І. Андрєєв повідомив про сфероїдальний двигун *, у розробці робочих креслень двох варіантів якого, а також у розрахунках та виготовленні литих деталей брали участь співробітники ВАЗу. Особливість двигуна (рис. 21) у тому, що він складається з двох роторів, зовнішнього / та внутрішнього 3, що обертаються в одному напрямку. Осі роторів нахилені, їх поєднання здійснюється за сферою. У центрі сфери розмістилася діафрагма - поршень 2, що розділяє робочий об'єм на чотири самостійні камери згоряння.
Прокрутіть подумки ротори хоча б на один оборот, і об'єм біля верхньої свічки підвищується до максимуму, що може відповідати робочому ходу або перепуску (цикл двотактний двигун), а потім знову зведеться до мінімуму, тобто відбудеться вихлоп або стиск. Попереднє стиснення повітря здійснюється відцентровим нагнітачем 4.
З нагнітач повітря слід в карбюратор і далі через порожнистий вал 6 в камеру згоряння. Вихлоп відбувається через вікна 7 у зовнішньому роторі, а енергія вихлопних газів реалізується на турбіні 5. Зовнішній ротор обертається у дворіжковому равлику 8. Тому лопатки поперемінно виконують функції нагнітача та турбіни. Вихлоп відбувається в один ріжок (на малюнку не показано), інший використовується для нагнітача. Через це холості оберти двигуна порівняно високі - не менше 1500 об/хв.
При двотактному циклі роботи у діаметрально протилежних камерах одночасно відбуваються однакові процеси. На рис. 21 зображено момент, коли в / і /// камерах починається робочий хід, а в // та IV камерах йде продування (суцільні лінії стрілок - робоча суміш, пунктирні - продукти згоряння).
Якщо дивитися на двигун праворуч, то при обертанні ротора проти годинникової стрілки в / і /// камерах відбудеться розширення (робочий хід) 110 ° по кутку повороту, потім відкриються вихлопні вікна і через 8 ° - впускні. Після повороту на 180° об'єм / і III камер дорівнюватиме об'єму при початковому положенні камер II і IV, що відповідає середині продування. При куті повороту 240 ° закриються вихлопні вікна, а ще через 8 ° - впускні. З цього моменту розпочнеться такт стиснення (цикл несиметричний). При робочому такті ребра зовнішнього ротора омиваються чистим повітрям (стрілки з крапок), що охолоджує ротор, а потім це повітря використовується для наддуву. При вихлопі ребра працюють як лопатки турбіни.
Розрахункова потужність двигуна – 45 л. с. При першому знайомстві з нею вражають непропорційно великі розміри карбюратора. Але виявляється, що карбюратор навіть менший за звичайні мотоциклетні, а невеликий сам двигун. Ще більше дивуєшся, коли дізнаєшся, що робочі креслення всіх без винятку деталей вмістилися в тоненькій папці. Вона переконливо говорить про простоту конструкції, мінімальну кількість деталей. А після ознайомлення з порівняльними характеристиками, підтвердженими багаточисельними.
ними розрахунками - не повірити в майбутнє цієї конструкції просто неможливо. Судіть самі.
Обидва ротори обертаються в один бік. Тим самим різко знижуються швидкості взаємного переміщення деталей, і звичайні кільця чудово виконають свої функції.
Саме через високі швидкості ущільнень Ванкелю довелося знизити кількість оборотів двигунів з 10 - 12 тис. до звичайних 6 тис. об / хв. Авторам сфероїдального двигуна навіть не потрібно гнатися за високими оборотами. Вже й за 4 - 5 тис. об/хв їх двигун перевершує ванкелей. Досить сказати, що у цього двигуна більш висока літрова потужність – 97 л. с./л при 4000 об/хв, в 2 - 3 рази вищий крутний момент (25 кгм!), а питома вага - 0,5 кг/л. с. суперничає з авіаційними двигунами. І все це стосується досвідченого зразка! Завдяки тому, що ротори симетричні щодо осей обертання, двигун ідеально врівноважений. Тому сприяє і протікання в діаметрально протилежних камерах однакових процесів. Розрахункова нерівномірність роботи мотора дорівнює 2 ° 16 ", що набагато нижче, ніж у "ванкеля" або поршневого ДВС. Симетричність процесів, крім того, обумовлює роботу, діафрагми як би у зваженому стані, різко знижуючи навантаження на пари, що труться.
Якщо порівняти навантаження на пальці діафрагми з навантаженням поршневого пальця і навантаження на підшипники зовнішнього ротора з навантаженням на шатунні шийки звичайного ДВС такої ж потужності, то вони виявляться в 2 рази менше. порівняння проведено з корінною шийкою двоциліндрового поршневого ДВЗ).
Скорочення числа пар, що труться, і мала величина навантажень приводять до небувало високого механічного ККД. За розрахунками він може сягати 92%! Жоден двигун, за винятком двигунів з механізмом С. Баландіна, не має ККД, навіть близького до цієї величини.
Двигун В. І. Андрєєва цікавий ще й тим, що лопатки на зовнішньому роторі виконують функції компресора наддуву та вентилятора охолодження, а також глушника (зміна швидкості та обсягу газів) та турбіни. У звичайних двигунах у глушнику марно розсіюється від 5 до 15% потужності. Тут щонайменше 5% турбіна повертає назад. Ідея використання вихлопних газів не нова. Але її реалізація складна: додаються турбіна, компресор, газопроводи (рис. 22). У двигуні В. І. Андрєєва та Л. Я. Ушеренка для цього не потрібно жодної зайвої деталі.
Дія турбіни вже перевірено за кількох незвичайних обставин. Для холодної обкатки за допомогою електромотора двигун був встановлений на стенді в інструментальному цеху Середньоволзького верстатозаводу, де виготовляли його деталі та збирали. Обертання тривало 6 год. Ні вібрації, ні нагріву двигуна, ні задира тертьових елементів обкатка не виявила.
Проте за «гарячих» випробувань стався казус. З нагнітального патрубка турбіни виривався сніп полум'я як із сопла реактивного літака, а очікуваної потужності двигун не дав. Коли його розібрали, камери згоряння виявилися абсолютно чистими. Причина – головки свічок розташовані надто близько до корпусу та іскра проскакувала, але не там, де треба. Тож перші випробування побічно підтвердили лише працездатність турбіни. Реконструкцію системи запалення і весь клопіт з доведення взяв він механік У. А. Артемьев.
Розробка двигуна найближчих десятиліть - складна та багатогранна проблема. Висвітлити її повністю в межах невеликої брошури неможливо. Потрібно було б розповісти про спроби вдосконалення робочого процесу звичайних ДВС, про способи нейтралізації вихлопних газів, про забезпечення рівноміцності вузлів двигуна, усунення необхідності в технічне обслуговування, пристосування конструкції до діагностування Кожна з цих проблем заслуговує на окрему докладну розповідь.
Завдання справжньої брошури - допомогти читачеві орієнтуватися в потоці інформації з питання і привернути його увагу до конструкцій винахідників, які обов'язково займуть своє місце в сім'ї найперших помічників людини - двигунів.
|||||||||||||||||||||||||||||||||
Розпізнавання тексту книги з зображень (OCR) – творча студія БК-МТГК.
Історія творців найпотужнішого у світі двигуна внутрішнього згоряння. Як збільшити в рази ККД двигуна, в чому відмінність нового агрегату від відомих роторних двигунів і в чому перевага радянської освіти перед американським - у матеріалі відділу науки.
Технології неухильно розвиваються. Про те, як захистити електропроводку, можна читати на сайті інтернет-магазину «Електрика Шоп».
Виходець із СРСР, який живе в США, разом із сином винайшов, запатентував і випробував найпотужніший і найефективніший у світі двигун внутрішнього згоряння. Новий мотор буде в рази перевищувати існуючі по ККД і поступатися масою.
1975 року невдовзі після закінчення Київського політехнічного інституту молодий фізик Микола Школьник поїхав до США, де здобув науковий ступінь і став фізиком-теоретиком - його цікавили додатки, пов'язані із загальною та спеціальною теорією відносності. Попрацювавши в галузі ядерної фізики, молодий вчений відкрив у США дві компанії: одну, яка займається програмним забезпеченням, другу - розробляє крокуючі роботи. Пізніше він десять років зайнявся консультуванням проблемних компаній, котрі займаються технічними інноваціями.
Однак як інженера Школяра постійно хвилювало одне питання – чому сучасні автомобільні мотори такі неекономічні?
І справді, незважаючи на те, що поршневий двигун внутрішнього згоряння людство вдосконалює вже півтора століття,
ККД бензинових моторів сьогодні не перевищує 25%, дизельних – близько 40%.
Тим часом син Школяра Олександр вступив до MIT та отримав ступінь доктора в галузі комп'ютерних наук, став фахівцем у галузі оптимізації систем. Думаючи над збільшенням ККД двигуна, Микола Школьник розробив власний термодинамічний цикл роботи двигуна HEHC (High-efficiency hybrid cycle), який став ключовим етапом реалізації його мрії.
"Останнього разу таке відбувалося в 1892 році, коли Рудольф Дизель запропонував новий цикл і створив свій двигун", - пояснив в інтерв'ю Школьник-молодший.
Винахідники зупинилися на роторному двигуні, принцип якого було запропоновано у середині XX століття німецьким винахідником Феліксом Ванкелем. Ідея роторного двигуна проста. На відміну від звичайних поршневих моторів, в яких багато обертових і рухомих частин, що знижують ККД, роторний двигун Ванкеля має овальну камеру і трикутний ротор, що обертається всередині неї, який своїм рухом утворює в камері різні ділянки, де відбувається впуск, стиск, згоряння і випуск .
Плюси двигуна – потужність, компактність, відсутність вібрацій. Однак, незважаючи на вищий ККД і високі динамічні характеристики, роторні двигуни за півстоліття не знайшли широкого застосування в техніці. Одним із небагатьох прикладів серійної установки
Слабкими місцями таких двигунів були ненадійність, пов'язана з низькою зносостійкістю ущільнювачів, завдяки яким ротор щільно примикає до стін камери, і низька екологічність.
Вже працюючи у фірмі LiquidPiston, засновниками якої вони стали, Школярі створили свою абсолютно нову реінкарнацію ідеї роторних моторів.
Принциповим у ній було те, що у двигуні Школярів не камера, а ротор нагадує формою горіх, який обертається у трикутній камері.
Це дозволило вирішити низку непереборних проблем двигуна Ванкеля. Наприклад, горезвісні ущільнювачі тепер можна робити із заліза та кріпити їх нерухомо до стінок камери. При цьому масло підводиться прямо до них, тоді як раніше воно додавалася в саме повітря і, згоряючи, створювало брудний вихлоп, а змащувало погано.
Крім того, під час роботи двигуна Школярів відбувається так зване ізохорне горіння палива, тобто горіння при постійному обсязі, що збільшує ККД мотора.
Винахідники створили один за одним п'ять моделей нового мотора, остання з яких у червні була вперше протестована - її поставили на спортивний карт. Випробування виправдали усі очікування.
Мініатюрний двигун розміром зі смартфон масою менше 2 кг має потужність всього 3 к.с. Двигун високооборотний, працює на частоті 10 тис. об./хв., але може досягати і 14 тис. ККД двигуна становить 20%. Це багато, враховуючи, що звичайний поршневий мотор такого ж об'єму в 23 кубики мав би ККД лише 12%, а поршневий мотор такої ж маси дав би всього 1 к.с.
Але головне, ККД таких моторів різко зростає зі збільшенням їх обсягів.
Так, наступний двигун Школярів буде дизельним мотором потужністю 40 к.с., при цьому його ККД складе вже 45%, а це вище, ніж ефективність найкращих дизелів сучасних вантажівок.
Важить він всього 13 кг, при тому що його поршневі аналоги такої ж потужності сьогодні важать під 200 кг.
Цей двигун вже планується ставити на генератор, який буде обертати колеса дизель-електричного автомобіля. «Якщо ж ми збудуємо ще більший двигун, ми можемо досягти ККД у 60%», - пояснює Школьник.
У перспективі компактні, спритні та потужні мотори Школярів планується використовувати там, де ці властивості особливо важливі – при конструюванні легких дронів, ручних бензопил, газонокосарок та електрогенераторів.
Поки двигун ганяли 15 годин, проте за нормативами, щоб піти у виробництво, він повинен відпрацювати безперервно 50 годин. При цьому для автомобільної промисловості потрібна надійність двигуна на 100 тис. миль пробігу, що поки що залишається мрією, визнають конструктори.
«Це найекономічніший, найпотужніший двигун не лише серед роторних, а й усіх двигунів внутрішнього згоряння.
Це показують наші виміри, а те, що ми отримаємо на більш великих моторах, ми вже змоделювали на комп'ютерах», - радіє Школьник-молодший.
Те, що озвучені цифри – не фантазії винахідників, підтверджує серйозність намірів інвесторів. Сьогодні в стартап вже вкладено $18 млн. венчурних інвестицій, $1 млн. яких дало американське агентство передових розробок DARPA.
Інтерес військових тут зрозумілий. Справа в тому, що військовими США в авіації застосовується переважно паливо JP-8. І військові хочуть, щоби взагалі вся армійська техніка працювала на цьому виді палива, на якому, до речі, можуть працювати і дизельні мотори.
Але сучасні дизельні двигуни є громіздкими, тому DARPA так активно придивляється до розробки Школярів.
Олександр вважає, що створити такий революційний двигун допомогло частково освіту, яку отримав його батько ще СРСР. «Він думає інакше, не так, як звичайний інженер у США. Його фантазія обмежена лише фізикою. Якщо фізика каже – щось можливо, то він вірить, що це так, і лише думає, як це можна зробити», – додав Олександр.
Сам Микола Школьник по-своєму розповідає про історію свого успіху та переваги радянської освіти.
«У США я переживав, що, маючи спеціальність «машинобудування», я не матиму достатнього бекграунду з фізики та, особливо, математики.
Ці побоювання виявилися марними завдяки чудовій підготовці, яку я отримав у радянській школі.
Ця солідна освітня підготовка досі допомагає мені тут у нашій роботі із новим роторним двигуном. На мій погляд, є дві великі відмінності між американськими інженерами і освітянами в Росії. По-перше, американські інженери неймовірно ефективні у тому, що вони роблять. Зазвичай потрібно два-три російські інженери, щоб замінити одного американського. Однак росіяни мають ширший погляд на речі (пов'язаний з освітою, принаймні в мій час) та здатність досягати цілей з мінімумом ресурсів, що називається, на коліні», - поділився роздумами Микола Школьник.
Інженери придумали новий двигун ще 2003 року. До 2012 року було збудовано перший прототип, про який написали у журналі "Популярна механіка". У 2015 році компанія не тільки уклала контракт з DARPA, але й почала розробку міні-версії двигуна.
Сьогодні ми згадаємо воістину нечисленні конфігурації двигунів - як щодо кількості циліндрів, так і їх розташування. І підемо зростаючою ...
Одноциліндровий двигун
Це зараз одноциліндрові мотори зустрінеш тільки на мопедах, малокубатурних мотоциклах, моторикшах та іншій техніці з приставкою мото. А тим часом у 50-ті та 60-ті роки минулого століття подібними найпростішими двигунами оснащувалась левова частка повоєнних мікрокарів. Взяти хоча б британський Bond Minicar з мотором Villiers: так, нехай він триколісний і тісний, але має капот, дах, повноцінне кермо – мінімальний набір зручностей є.
Роздвоєний двопоршневий двигун
Подібний мотор є механізмом, в якому в двох циліндрах паралельно працюють два поршні. Але є одна проблема - камера згоряння у цих циліндрів одна, загальна. Таким чином досягається ефективніше згоряння повітряно-паливної суміші в порівнянні зі звичайними одноциліндровими моторами, покращується паливна економічність, підвищується потужність. Цей тип двигунів використовувався в Західній Європі в довоєнну пору, але після Другої світової став набагато менш затребуваним. Одним із небагатьох автомобілів із роздвоєним двигуном була Iso Isetta, чий 236-кубовий моторчик розвивав 9 кінських сил.
V-подібний 2-циліндровий двигун
Гордість Harley-Davidson, на відміну від рядних або опозитних 2-циліндрових моторів, у легковиках не прижилася - занадто великі від них вібарції. V-подібні двигуниз двома «горщиками» зустрічаються лише на різноманітній екзотиці, на кшталт триколісних «Морганів» 30-х років, а також деяких кей-карах раннього післявоєнного періоду. Один із прикладів – Mazda R360 з мініатюрним V2 повітряного охолодження. Пізніше на її основі з'явилися комерційні автомобілі B360/B600 - теж з V-подібними "двійками".
V-подібний 4-циліндровий двигун
Трициліндрові V-подібні мотори на автомобілях не зустрічаються (тільки на мотоциклах, та й то рідко), зате V-подібні «четвірки» – цілком. Щоправда, за популярністю вони програють і рядним, і опозитним двигунам із такою самою кількістю циліндрів. Зустріти цю дивовижну в наші дні силову установку можна, наприклад, на «Запорожцях», ЛуАЗах, деяких ранніх версіях Ford Transit, а також на спорткарах на зразок Saab Sonnet або, на секундочку, тріумфаторі Ле-Мана Porsche 919 hybrid.
V-подібний п'ятициліндровий двигун
Зараз рядні п'ятициліндрові двигуни випробовують своє друге народження: нині їх можна знайти не тільки у літніх Audi 200/Quattro 80-х років, а й більш ніж сучасній Audi TT-RS. А ось до відродження V-подібної «п'ятірки» руки інженерів поки що не дійшли. У 90-ті роки до цієї незвичайної схеми додумалися інженери з Volkswagen, відпиливши один циліндр від двигуна VR6 - формально, фольксвагенівський V5 є саме VR5, так як головка циліндрів у мотора з невеликим розвалом цих циліндрів тільки одна. Володіючи приємним голосом V5 встановлювався на багато моделей концерну Volkswagen кінця 90-х років: VW Golf, Bora, Passat, а також Seat Toledo.
V-подібний рядний шестициліндровий двигун (VR6)
До речі, VR6 теж рідкісна конфігурація. І вона також зустрічається тільки на автомобілях концерну «Фольксваген». VR6 був V6 з дуже невеликим кутом розвалу циліндрів (10,5 або 15 градусів), у якого була лише одна головка циліндрів, а самі циліндри розташовувалися зигзагоподібно. Зараз мотор має суперечливу славу: будучи встановленим у найпотужніші Volkswagen 90-х (Golf VR6, Corrado VR6 і навіть Volkswagen T4), він виділяється великим крутним моментом і бархатистим риком, але у разі несправності починає пожирати бензин - траплялися випадки, коли витрата збільшувалася до більш як 70 літрів на 100 кілометрів.
Рядний 8-циліндровий двигун
До Другої світової війни рядні «вісімки» були улюбленими двигунами американських преміум-марок (Packard, Duesenberg, Buick), але не меншою популярністю тоді користувалися і в Європі: саме з таким мотором Bugatti Type 35 виграв понад тисячу гонок по всьому світу , Саме з рядним 8-циліндровим двигуном оригінальна Alfa Romeo 8C сяяла на Mille Miglia і 24 Годинниках Ле-Мана. Лебединою піснею довгого двигуна став 1955 рік, коли Хуан Мануель Фанхіо вдруге став чемпіоном за кермом Mercedes W196. Однак того ж року сталася і знаменита трагедія в Ле-Мані, коли Mercedes 300 SLR П'єра Левега (теж із рядною «вісімкою») забрав життя понад 80 глядачів. Після цього інциденту Mercedes пішов із автоспорту більш ніж на 30 років.
Опозитний 8-циліндровий двигун
Хоча подібні мотори частіше зустрічаються в авіації, свого часу з ними експериментували в Porsche - побудовані в 60-і роки гоночні Porsche 907 і 908 якраз оснащувалися оппозитними 8-циліндровими двигунами, що забезпечують високу потужність і низький центр тяжіння. Не сказати, що задум був невдалим, але від подібних моторів компанія швидко відмовилася, віддавши перевагу оппозитні «шістки», але з системою наддуву. Наприкінці свого життя модель 908 – як та, на якій Йост та Ікс стали другими у 24 Годинах Ле-Мана 1980 року – вже була шестициліндровою.
W-подібний 8-циліндровий двигун
Двигун W8, який встановлювався тільки на Volkswagen Passat B5+, можна представити як два мотори V4, які закріплені пліч-о-пліч під кутом 72 градуси по відношенню один до одного. Таким чином, виходить чотири ряди циліндрів, за що мотор отримав назву W8. До появи Volkswagen Phaeton модель Passat W8 була флагманським седаном компанії, розвиваючи 275 кінських сил і прискорюючись до сотні за спорткарівські 6 секунд.
Опозитний 10-циліндровий двигун
На жаль, ця ідея виявилася надто крутою, щоб стати реальністю, хоча концерн GM працював над подібним мотором у 60-ті роки, взявши за основу 6-циліндровий оппозит моделі Corvair. Передбачалося, що новий 10-циліндровий мотор займе своє місце у повнорозмірних седанах та малотоннажних пікапах General Motors, але проект досить швидко згорнули з невідомих причин. Рядних 10-циліндрових моторів на машинах теж не було - якщо не рахувати машинами важкі морські контейнеровози.
Рядний 12-циліндровий двигун
У своїй книзі "Ілюстрована енциклопедія автомобілів світу" Девід Бергс Вайз стверджує, що єдиним серійним автомобілем з 12-циліндровим рядним двигуном була Corona, яка випускалася у Франції у 1908 році. Однак це не означає, що витівка не спокушала інші компанії - наприклад, достовірно відомо, що з подібним типом моторів експериментували в Packard. Ходовий екземпляр був побудований в 1929 році, і Уоррен Паккард особисто тестував його протягом півроку ... поки не загинув в авіакатастрофі. Після смерті розкішний кабріолет розібрали, а 150-сильний унікальний двигун знищили.
V-подібний 16-циліндровий двигун
З появою Bugatti Veyron/Chiron 16-циліндрові двигуни здебільшого представляють лише як W-подібні, проте так було не завжди - все минуле століття 16 циліндрів майже завжди вишиковувалися в два ряди. Auto Union Type A, Cadillac V16, Cizeta V16T – це лише кілька прикладів автомобілів з V16. Адже такий мотор цілком міг би з'явитися на сучасних автомобілях Rolls-Royce– ходовий прототип Rolls-Royce Phantom Coupe із 9-літровим V16 був представлений у фільмі «Агент Джонні Інгліш: Перезавантаження».
Опозитний 16-циліндровий двигун
Очевидно, що такий двигун міг створюватися тільки з прицілом на автоспорт. Однак іронія полягає в тому, що 16-циліндрові «опозитники» так ніколи і не ганялися: прототип Porsche 917 з 16 циліндрами відправили на полицю історії чи не відразу, зробивши вибір на користь 12 «горщиків», а новий мотор Coventry Climax FWMW, яким передбачалося оснастити формульні Lotus і Brabham у 60-ті, виявився настільки ненадійним, що йому віддали перевагу більш консервативному V8.
Н-подібний 16-циліндровий двигун
Н-подібний двигун є «бутербродом» з двох «опозитників», що позитивно позначається на компактності силової установки, але негативно – на її центрі тяжкості. У 60-ті роки подібний двигунризикнула побудувати формульна команда BRM ... і результати вийшли неоднозначними - двигун був потужним, але не особливо надійним і складним для ремонту. Тим не менш, Lotus 43 Джима Кларка, оснащений таким двигуном, у 1966 році першим перетнув фінішну межу на Гран-Прі США. Це був перший та останній тріумф Н16.
V-подібний 18-циліндровий двигун
Коли здається, що вже більше нікуди, на сцену виходять кар'єрні самоскиди і доводять протилежне. Машина з V18? І такі є як, наприклад, БелАЗ 75600, оснащений 78-літровим дизельним. двигуном Cummins QSK78. Таке «серце» видає 3500 кінських сил при 1500 оборотах на хвилину, а його момент, що крутить, досягає 13 770 Ньютон-метрів. Ну, а як ще зрушити з місця навантажену махину масою 560 тонн?
W-подібний 18-циліндровий двигун
Зараз вже, напевно, мало хто згадає, що спочатку Bugatti Veyron повинен був бути 18-циліндровим - оригінальний концепт-кар був саме з такою силовою установкою. Тим не менш, у Bugatti не змогли змусити двигун працювати належним чином (були проблеми при перемиканнях передач), тому Veyron став 16-циліндровим. Свого часу про двигун W18 замислювався моторист Ferrari Франко Роччі, але далі задуму він не просунувся.
V-подібний двигун
Подібні силові установкивикористовуються на важких судах або як промислові дизель-генератори, але іноді вони перепадають і кар'єрним самоскидам. Один з таких 20-циліндрових монстрів – Caterpillar 797F, у надрах якого працює двигун Cat C175-20 потужністю 4000 кінських сил. Ось так виглядають 106 літрів робочого об'єму. Є і складніші багатоциліндрові двигуни, але це, в основному, саморобні установки, створені шляхом з'єднання декількох 8- або 12-циліндрових моторів.
Х-подібний 32-циліндровий двигун
Якщо у моторів з W-подібною схемою V-подібні блоки сходяться під гострим кутом, то Х-подібних двигунах вони розташовуються під кутом 180 градусів. Таким чином, утворюються чотири ряди поршнів і циліндрів, що формують букву Х. Колись побудувати такий 32-циліндровий мотор для Формули 1 мала намір Honda, але зміни в регламенті і результати стендових випробувань, що розчаровують, змусили японців залишити сміливий експеримент. Зате побачити (і почути) Х-подібний двигунмосквичі та гості столиці зможуть вже зовсім скоро на головній площі країни – адже на ТГУП «Армата» використовується 12-циліндровий мотор ЧТЗ А-85-3А з Х-подібною схемою.
