Новый виток эволюции ДВС: супер двигатель без коленвала

СТРАННЫЙ ОППОЗИТ

Однажды он получил заказ от специалистов воздушно-десантных войск: разработать двигатель — помощник суперсолдат. Мотор, сказали ему люди в мундирах, должен быть легким, экономичным, безотказным в воздухе, на земле и воде. И вскоре такой появился — 2-тактный оппозит, в основе которого лежал мотор «Иж-Юпитер 5».

Оппозит Фролова необычный — без уплотнительной перегородки между кривошипными камерами, так усложняющей конструкцию ординарных 2-цилиндровых двухтактников. Коленчатый вал (до поры до времени Фролов оставил его в покое) — с двумя опорными подшипниками (вместо трех), что снизило его вес и длину. В конструкции Фролов использовал два своих изобретения: «Демпфер крутильных колебаний коленчатого вала ДВС» и «Узел двигателя внутреннего сгорания».

Мотор получился компактным и «бодрым» — в 1,5 раза возросли мощность и крутящий момент. Он предназначался для сверхлегкой авиации, водномоторного спорта. В 1988 г. пришел заказ на изготовление 300 моторов для дельтапланов. Опытный мотор УМБ-760 устанавливался и на автомобиль ЛуАЗ, планировалось начать его серийный выпуск.

В 2001 году появился мотоцикл, который сразу привлек внимание байкеров. Еще бы: во время демонстрации работоспособности аппарата на второй передаче заднее колесо срывало в букс. Производство движка планировали развернуть на одном из харьковских заводов — для переоборудования обычных «Ижей»

Но нагрянули известные события с распадом СССР, и проект так и остался невоплощенным

Производство движка планировали развернуть на одном из харьковских заводов — для переоборудования обычных «Ижей». Но нагрянули известные события с распадом СССР, и проект так и остался невоплощенным.

Lotus Omnivore

Кто сказал, что два такта остались в прошлом? Инженеры Lotus Engineering считают, что потенциал двухтактных движков серьезно недооценен автопроизводителями, а   прожорливость — всего лишь миф. Они прогнозируют их триумфальное возвращение в 2013 году под капоты серийных автомобилей. В 2009 году в Женеве компания представила концептуальный 500-кубовый двигатель Omnivore, работающий на любом виде жидкого топлива. Моторчик блещет сразу несколькими инновационными технологиями, главная из которых  - изменяемая степень сжатия при помощи подвижной верхней стенки камеры сгорания. В зависимости от вида топлива и нагрузки сжатие в Omnivore может изменяться в диапазоне от 10 до 40 к одному. Приготовление сбалансированной топливовоздушной смеси обеспечивает система прямого впрыска Orbital FlexDI с двумя инжекторами, а   параметрами отвода отработанных газов управляет патентованный улавливающий клапан CTV (Charge Trapping Valve). Похоже, британцам удалось то, к чему стремятся все разработчики инновационных ДВС: в цикле стендовых испытаний Omnivore уверенно поддерживал режим сгорания HCCI даже на оборотах холостого хода и в «красной зоне». Конструкция Omnivore замечательна еще и тем, что его блок и головка отлиты в одной цельной детали.

Ecomotors OPOC. Одним из основных преимуществ конструкции профессора Хоффбауэра является возможность «надевать» на коленвал всё новые и новые пары цилиндров, получая нечто вроде модульного двигателя.

Согласно спецификации, концепт на 10% экономичнее атмосферных бензиновых двигателей равной мощности, а по чистоте выхлопа легко дотягивает до нормативов Евро-6. Если Lotus сможет заинтересовать автопроизводителей, то потомки концептуального Omnivore станут первыми кандидатами на роль бортовых генераторов для электрогибридов. Для этого у них есть всё: неприхотливость, предельная компактность и высокая энергоемкость.

Автомобили

10 автомобилей из Прибалтики

Как зарождался современный ДВС?

Если сравнивать автомобиль с организмом человека, то именно движок будет выполнять роль сердца. Без него эксплуатация транспортного средства попросту невозможна. Само слово мотор в переводе с латыни означает приводить в движение. И если в двух словах, то это устройство отвечает за преобразование энергии от сгорания топлива в механическую, без которой автомобиль не заведется.

Впервые о подобном агрегате услышали в далеком 1801 году, а благодарить за это изобретение следует французского инженера Филиппа Лебона. А вот создателем образцов, наиболее близких по строению к современным моторам, считают немецкого инженера-самоучку Николауса Отто. О его достижениях мир узнал спустя более 70 лет, в 1877 году.

Французский инженер Филипп Лебон

За пять лет до этого Брайтон попытался воплотить в жизнь силовой агрегат, который будет работать на керосине, предыдущие устройства функционировали за счет газа. Попытка оказалась неудачной. Но в 1882 году жизнь получил новый агрегат, работающий на жидком топливе – бензине. И благодарить за его появление на свет человечество обязано немецкого конструктора, инженера и промышленника Готтлиба Даймлера.

Важность моторного масла

Чтобы двигатель работал исправно, очень важно наличие в картере масла. Каждый из нас отлично знает, что, чем лучше скольжение, тем более плавным является движение (вспомните фигурное катание)

В принципе, там, где есть движение в двигателе, где одна деталь соприкасается с другой, туда и попадает масло. Его путь начинается с масляного поддона, который расположен под двигателем, масло всасывается специальным насосом, затем масляный насос вдавливает его в трубчатую сборку, которая направляет смазочный растовр в множество мест двигателя.

Представьте, что случилось бы, если бы в течение длительного времени все компоненты двигателя двигались «всухую»

Теперь вы, наверное, понимаете, почему так важно время от времени проверять уровень масла в двигателе

Самые большие двигатели

Автомобили — не единственные технические средства в мире, которые нуждаются в посоянном обновлении. Необычные двигатели постоянно разрабатываются для многих сфер деятельности. Но начать лучше, все-таки, с привычных 4-колесных автомобилей.

Fiat Blitzen Benz

Гоночный болид 1911 года оснащался двигателем объемом 28,2 литра, чтобы обеспечить мощность в 300 лошадиных сил. Было собрано всего 2 таких автомобиля. Один был выкуплен русским князем Сухановым, но после Революции попал в Австралию, где благополучно разбился без возможности восстановления. Другой концерн Фиат оставил себе, в 1920 году заменив двигатель на более совершенную конструкцию.

Convair B-36

Для этого бомбардировщика был разработан самый мощный поршневой авиационный 36-цилиндровый двигатель в мире. При небольших размерах (3 м в высоту и 1,5 м в поперечнике) и весе в 2,7 т. он способен выдавать мощность в 5000 лошадиных сил. Но особо популярным мотор не стал и остался штучной уникальной моделью.

Union Pacific Railroad

В годы Второй мировой войны был создан самый большой и мощный паровой двигатель Big Boy с силой тяги в 15290 нм. Но прослужил он недолго. В 1959 году паровозы окончательно оказались вытесненными дизельным железнодорожным транспортом.

Чтобы не терять первое место, в 1955 году та же компания Union Pacific создала локомотив мощностью 8500 лошадиных сил. Он весил 410 т. и был снабжен баком на 9500 л. До сих пор этот рекорд еще не был побит.

Wärtsilä-Sulzer RTA96

Крупнейший в мире серийный двигатель производится для морских судов. Его длина составляет почти 27 м, а высота — 13,5 м. Машина весит 2,3 млн килограмм. Затратив 13 тыс. литров мазута в час можно получить невероятную мощность 107 тыс. лошадиных сил.

1750 MWe ARABELLE

Это крупнейший генератор в мире. Каждая его турбина весит 120 тонн. Благодаря пару двигатель способен выдавать мощность почти в 2,35 млн лошадиных сил. Но для установки такой необычной конструкции понадобилась целая атомная станция во Франции.

SaturnV

Общепризнанный король двигателей. Только с его помощью оказалось возможным отправиться на Луну. Хоть высота самого агрегата чуть меньше 6 м, в ракетоносителе она составила 110, 65 м (примерно с 40-этажный дом). Чтобы поднять 130 т. космического корабля на орбиту потребовалась мощность в 190 млн лошадиных сил. Для сравнения затраченной энергии оказалось бы достаточно почти для 1000 кругосветных путешествий на обычном автомобиле.

Принцип работы

Машина с ДВС (двигателем) должна ездить, а для этого ей необходимо совершить механическое усилие. Именно его и производит двигатель, который передает вращательную силу на колеса автомобиля. Те вращаются, и транспортное средство начинает движение. Это очень примитивное объяснение, которое позволит лишь отдаленно понять, что это такое – ДВС в машине. Главная цель двигателя – преобразование бензина (или дизельного топлива) в механическое движение. Сегодня самый простой способ заставить автомобиль двигаться – это сжечь топливо внутри мотора. Именно поэтому двигатель внутреннего сгорания получил соответствующее название. Все они работают по одинаковому общему принципу, хотя есть некоторые разновидности: дизельные, с карбюраторными или инжекторными системами питания и так далее.

Итак, принцип мы поняли: топливо сгорает, высвобождает при этом большие объемы энергии, которые толкают механизмы в двигателе, что приводит к вращению коленчатого вала. Усилия затем передаются на колеса, и машина начинает движение. 

Принцип работы четырехтактного двигателя

Такты четырехтактного двигателя

Четырехтактные двигатели используются во всех автомобилях, крупной технике, авиации

Это так называемый классический вид ДВС, которому конструкторы уделяют всё свое внимание. Условно работу каждого цилиндра в ЦПГ можно разделить на 4 этапа (такта). Это впуск, сжатие, сгорание, выпуск

На видео, ниже, наглядно показано работу 4-тактного двигателя в 3Д анимации

Это впуск, сжатие, сгорание, выпуск. На видео, ниже, наглядно показано работу 4-тактного двигателя в 3Д анимации.

  1. На такте впуска поршень в цилиндре движется вниз, от клапанов к нижней мертвой точке (НМТ). Когда он начинает опускаться, открывается впускной клапан и в цилиндр поступает топливно-воздушная смесь (или только воздух, если двигатель с непосредственным впрыском). При движении поршень сам «накачивает» нужный объем воздуха в камеру сгорания, если двигатель атмосферный, или воздух поступает под напором, если установлен турбонаддув.
  2. Дойдя до нижней мертвой точки поршень начинает подниматься. При этом впускной клапан закрывается, и при движении поршень сжимает воздух с распыленным в нём топливом до критического давления.
  3. Как только поршень условно доходит до верхней мертвой точки и компрессия становится максимальной, срабатывает свеча зажигания и топливо вспыхивает (дизтопливо зажигается при сжатии само, без искры). Микровзрыв от вспышки толкает поршень снова вниз, к НМТ.
  4. И на четвертом такте открывается выпускной клапан. Поршень снова движется вверх, выдавливая из камеры сгорания выхлопные газы в выпускной коллектор.

Работа четырехтактного двигателя

По сути, полезной работы в двигателе только один такт из четырех, когда при сгорании топлива создается избыточное давление, толкающее поршень. Остальные три такта нужны как вспомогательные, которые не дают импульса к движению, но на них расходуется энергия.

При таких условиях двигатель мог бы остановиться, когда кривошипно-шатунный механизм (КШМ) приходит к энергетическому равновесию. Но чтобы этого не произошло, используется  большой маховик, соединенный с системой сцепления, и противовесы на коленвале, уравновешивающие нагрузки от работы поршней.

Принцип работы двухтактного двигателя

Такты двухтактного двигателя

Двухтактные двигатели используются не слишком широко. В основном это моторы скутеров и мопедов, легких моторных лодок, газонокосилок. Весь рабочий процесс такого двигателя можно разделить на два основных этапа:

  1. В начале движения поршня снизу вверх (от нижней мертвой точки к верхней) в камеру сгорания поступает топливно-воздушная смесь. Поднимаясь, поршень сжимает ее до критической компрессии, и когда он находится в верхней мертвой точке, происходит поджиг.
  2. Сгорая, топливо толкает поршень вниз, при этом одновременно открывается доступ к выпускному коллектору и продукты сгорания выходят из цилиндра. Как только поршень достигает нижней мертвой точки (НМТ), повторяется первый такт – впуск и сжатие одновременно.

Работа двухтактного двигателя

Казалось бы, двухтактный двигатель должен быть вдвое эффективней четырехтактного, ведь здесь на полезное действие приходится половина работы. Но в реальности мощность двухтактного двигателя намного ниже, чем хотелось бы, и причина этого кроется в несовершенном механизме газораспределения.

При сгорании топлива часть энергии уходит в выпускной коллектор, не выполняя никакой работы кроме нагрева. В итоге, двухтактные двигатели применяются только в маломощном транспорте и требуют особых моторных масел.

Без шатунов

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

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

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

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

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

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

Ранняя конструкция с пространственными штоками, соединяющими противолежащие поршни

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

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

Продвинутая «крестообразная» конструкция с плоскими штоками

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

Плоские штоки (крестом) гораздо компактней

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

Лихая 3-колка с двигателем Х4v2

Технические характеристики двигателя СМД-22 / 22а в цифрах

Оба мотора имеют следующие параметры:

рабочий объём цилиндров – 6,3 литров;

диаметр цилиндра – 120 мм, ход поршня – 140 мм;

  • мощность номинальная – 103 кВт / 145 л.с.;
  • частота вращения номинальная – 2000 об/мин;
  • минимальная устойчивая частота вращения на холостом ходу – 650 об/мин;
  • максимальная частота вращения на холостом ходу – 2130 об/мин;
  • удельный расход дизельного топлива – 165-171 г/л. с. ч (224-233 г/кВт.ч);
  • давление масла в главной магистрали смазочной системы – 2,8-4,5 кгс/см2 (номинальная), не менее 1,0 кгс/см2 (минимальная устойчивая частота);
  • конструктивная масса мотора по ГОСТ 20000–88 – 735–880 килограммов.

ЗАБЫТОЕ ГЕНИАЛЬНОЕ

В начале изобретательской карьеры, 30 лет назад, Виталий Фролов еще не замахивался на то, чтобы изменить ДВС — ограничился малым: установил на коленвал особые накладки. Когда они изнашивались, менял их вместе с вкладышами, и вал продолжал работать. Просто? Тем не менее, до этого раньше никто не додумался. Виталий получил первое авторское свидетельство, его наградили серебряной медалью Выставки достижений народного хозяйства СССР — в те времена считалось очень почетным стать лауреатом этой награды.

Так часто бывает: гениальные изобретения забываются. Чудесный коленвал так и не был внедрен…

Похоже, обида на неразумное человечество вылилась у Виталия в нелюбовь к коленчатым валам, и позже он беспощадно «уничтожал» деталь во всех своих последующих разработках. И сформулировал один из принципов: коленчатый вал — деталь несовершенная.

Двигатель Фролова: мотор без шатунов и коленвала

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

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

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

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

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

https://youtube.com/watch?v=GwdgPwYKjho

Двигатель BRM H16

Используется: с 1966 года

В 1966 году британская команда Формулы-1 British Racing Motors представила странный новый мотор для своего болида, который назывался BRM H16. Конструкция мотора, по сути, представляла два плоских восьмицилиндровых двигателя, установленных друг над другом. Каждый из них оснащался отдельным коленвалом, к которым были присоединены шестерни, что делало всю конструкцию очень тяжелой.

Этот мотор устанавливался на Lotus 43 (на фото), за рулем которого сидел Джим Кларко, ставший в 1966 году победителем Гран-при США. Однако это была единственная победа болида с двигателем H16. Вскоре разработка этого мотора прекратилась в пользу более прогрессивного двигателя V12.

Что в итоге

Как видно, даже с учетом сложности реализации, инженеры и конструкторы все равно продолжают искать способы для повышения общей надежности двигателей, увеличения их КПД, снижения расхода топлива.

С учетом вышесказанного становится понятно, что еще рано говорить об окончании эволюции двигателей внутреннего сгорания. Другими словами, не следует исключать возможность появления бесшатунных моторов, а также агрегатов без коленчатого вала на серийных транспортных средствах.

Какой срок службы двигателя является нормой для современных моторов. Почему не осталось двигателей «миллионников». Как увеличить ресурс современного ДВС.

Линейка дизельных двигателей CRDi Hyundai/KIA: сильные и слабые стороны моторов данного типа, особенности эксплуатации, ремонта и обслуживания.

Моторы линейки TSI. Конструктивные особенности, преимущества и недостатки. Модификации с одним и двумя нагнетателями. Рекомендации по эксплуатации.

Конструктивные особенности двигателей GDI с непосредственным впрыском от моторов с распределенным впрыском топлива. Режимы работы, неисправности GDI.

Двигатель семейства FSI: отличия, особенности, плюсы и минусы силового агрегата данного типа. Распространенные проблемы двигателей FSI, обслуживание мотора.

Дизельный мотор TDI. Отличительные особенности двигателя данного типа. Преимущества и недостатки, ресурс, особенности турбонаддува. советы по эксплуатации.

Поделитесь в социальных сетях:FacebookTwitterВКонтакте
Напишите комментарий