Гайдачук А.В., Пода В.Б. Двигатели внутреннего сгорания. Введение в специальность

Подождите немного. Документ загружается.

штоки таких двигателей отклоняются от осей цилиндров, поэтому

фактически они являются шатунами. Но эти отклонения не превышают

2...3°, поэтому аксиальные двигатели с качающейся шайбой также

могут быть отнесены к классу бесшатунных. Наклонная шайба

соединена здесь с наклонным коленом коленчатого вала c помощью

сферического шарнира. Такое соединение поршней с шайбой и

шайбы

с валом приводит к тому, что шайба не вращается, а совершает

равномерное движение, так называемую прецессию, при котором ее

ось описывает в течение работы коническую поверхность.

Одним из первых аксиальных двигателей с двумя

симметричными наклонными вращающимися шайбами и

противоположно движущимися поршнями был разработанный еще в

1916 г. русскими инженерами А.

А. Микулиным и Б.С. Стечкиным

авиационный двухтактный двигатель АМБС-1, кинематическая схема

которого представлена на рис. 3.13. Двигатель был изготовлен на

заводе «Ош и Везер» в Москве и в

процессе испытаний развивал

мощность 300 л. с. Выявленные при

испытаниях дефекты конструкции,

связанные в основном с поломками

механизма преобразования поступа-

тельного движения поршней во

вращательное движение вала, требо-

вали продолжения работ по совер-

шенствованию двигателя. Однако, как

это всегда случалось в России, финансовой поддержки дальнейшие

работы по доводке этого двигателя со стороны правительства и

предпринимателей не получили, а в результате революции 1917 г. и

последовавшей за ней разрухи в стране и вовсе прекратились

всяческие работы

над аксиальным двигателем.

Попытки создания надежных аксиальных двигателей продолжаются

Рис. 3.13. Схема

аксиального двигателя

Микулина – Стечкина

АМБС-1

Рис. 3.12. Принципиальные схемы аксиальных двигателей

барабанного типа: а – с вращающейся шайбой;

б – с качающейся шайбой

а б

и в наше время. В качестве примера можно привести разработанные

Научно-исследовательским автомобильным и автомоторным

институтом (НАМИ) г. Москва серии аксиальных автомобильных

двигателей с качающейся шайбой разной мощности и различным

количеством цилиндров. Отличительной особенностью двигателей

НАМИ является то, что в процессе работы двигателей имеется

возможность регулировать угол наклона шайбы. Это

позволяет в

зависимости от режима работы двигателя выбирать оптимальный

объем камеры сгорания, что приводит к значительной экономии

топлива. На рис. 3.14 представлены схема и общие виды

семицилиндрового аксиального двигателя НАМИ рабочим объемом

4,65 л и его силового механизма.

Результаты работ, проводимых в НАМИ по аксиальным

двигателям, показали явные преимущества двигателей этой схемы

сравнении с рядными двигателями. Так, разработанные аксиальные

двигатели значительно компактнее рядных (плотность их компоновки

может достигать 5...7%, т. е. как у звездообразных, и выше), весят они

на 25…35% меньше своих классических рядных аналогов (удельная

масса составляет 0,6…0,7 кг/л.с.), максимально допустимое количество

оборотов при надежной конструкции силового механизма

преобразования движения может

быть доведено до 20000 об/мин.

Применение качающейся шайбы позволяет достаточно просто и

плавно регулировать величину рабочего объема двигателя в

двоенный

карданный

шарнир

Качающаяся

шайба

Коленчатый

вал

Шат

Сферическая

опора

Рис. 3.14. Схема и общие виды семицилиндрового

аксиального двигателя НАМИ и его силового механизма

зависимости от режима его работы, в результате чего достигается

25…30% экономии топлива и снижаются на 30…40% выбросы

токсичных веществ.

Тем не менее основная проблема аксиальных двигателей,

которая пока что сдерживает их широкое применение, состоит в

ненадежности работы предлагаемых силовых механизмов

преобразования поступательного движения поршней во

вращательное движение вала.

Наиболее удачной идеей на

протяжении всей истории

поршневого двигателестроения была и остается идея создания такой

конструкции рабочих органов поршневого двигателя и такого их

расположения, при котором расширяющиеся газы передавали бы

свою энергию непосредственно вращающимся частям, как у турбины.

Так появилось множество патентов в разных странах мира на

роторно-поршневые двигатели, некоторые из которых были

доведены

до экспериментальных и опытных образцов.

В качестве примера рассмотрим два проекта роторно-

поршневых двигателей: с наиболее оригинальным выполнением

камеры сгорания и механизма преобразования энергии газов во

вращательное движение ротора и двигателя, который нашел

наиболее широкое практическое применение.

В 1963 г. цейлонский изобретатель Этон Ропакаруна

разработал, а затем построил экспериментальный образец роторно

поршневого двигателя с пульсирующей камерой сгорания,

выполненной в виде параллелепипеда (рис. 3.15).

Шарнирное соединение граней камеры 1 по ребрам дает

возможность изменять ее конфигурацию. С торцов камера сгорания 1

закрыта двумя вращающимися дисками 2, которые с внутренней

стороны имеют направляющие пазы 3, выполненные в виде

Впуск Сжатие

Сгорание и

расширение

Выпуск

Рис. 3.15. Схема и принцип работы двигателя Ропакаруны:

1 – камера сгорания; 2 – вращающийся диск (ротор); 3 – направляющий

паз; 4 – палец; 5 – впускной клапан; 6 – выпускной клапан; 7 – свеча

зажигания

восьмерки. В направляющих пазах 3 перемещаются пальцы 4,

которые связаны с ребрами камеры сгорания. Впускные 5 и

выпускные 6 клапаны, а также свеча зажигания 7 расположены на

вращающихся дисках 2. Благодаря такой конструкции камера

сгорания в зависимости от положения вращающихся дисков, как это

видно из рис. 3.15, может принимать различный объем. Так,

максимальный объем камеры, отвечающий НМТ

классического

поршневого двигателя, соответствует квадратной ее форме. При

переходе в ромбическую форму объем уменьшается до одной пятой

максимального. В момент воспламенения топливной смеси камера

имеет минимальный объем и находится в положении ВМТ. Под

действием давления расширяющихся продуктов сгорания камера

увеличивает свой объем, приводя тем самым к вращению дисков 2.

В процессе испытаний

экспериментальный образец двигателя

Ропакаруны работал достаточно удовлетворительно, несмотря на

выявленные трудности в уплотнении ребер камеры.

В 1957 г. в результате тридцатилетних поисков немецким

инженером Феликсом Ванкелем был построен роторно-поршневой

двигатель с планетарным движением ротора, при котором ротор,

вращаясь вокруг своей оси, одновременно обкатывается вокруг

неподвижного зубчатого колеса. При этом ротор

выполнен граненным

с выпуклыми гранями. На рис. 3.16 представлены схема и принцип

работы такого двигателя с трехгранным ротором. В результате

обкатывания граненного ротора вокруг неподвижной шестерни

вершины его углов совершают сложное движение по кривой, которая

Рис. 3.16. Конструктивная и кинематическая схемы

двигателя Ванкеля и принцип его работы:

1 – ротор; 2 – корпус двигателя; 3 – шестерня ротора;

4 – неподвижная шестерня; 5 – кривошип или эксцентрик вала;

6 – вал отбора мощности; 7 – камера сгорания; 8 – впускное окно;

9 – выпускное окно; 10 – рубашка охлаждения; 11 – свеча зажигания;

12 – противовесы

Впуск Сжатие

Сгорание и

расширение

Выпуск

называется эпитрохоидой, поэтому подобные двигатели иногда еще

называют эпитрохоидными.

Трехгранный ротор 1 с плоскими торцевыми поверхностями

размещается во внутренней рабочей полости корпуса 2, имеющей

форму двух сопряженных цилиндров. Одна торцевая поверхность

ротора имеет цилиндрическое углубление, выполненное в форме

шестерни 3 с внутренними зубьями. С помощью этой шестерни ротор

1 постоянно находится в зацеплении с

неподвижной шестерней 4,

закрепленной на торцевой крышке корпуса 2. Передаточное

отношение этого зацепления выбрано таким, чтобы ротор за один

оборот вокруг своей оси совершал три обкатывания вокруг

неподвижной шестерни. Ротор по своему центру свободно насажен на

эксцентрик или кривошип 5 вала 6 отбора мощности, в результате

чего от ротора к валу передается крутящий момент.

Таким образом,

угловая скорость вращения вала равна скорости обкатывания ротора

вокруг неподвижной шестерни 4, а значит, за один оборот ротора

вокруг своей оси вал совершает три оборота.

При вращении ротора между стенками рабочей полости корпуса

и гранями ротора происходит последовательное изменение рабочих

объемов. Все три ребра ротора во время его вращения непрерывно

соприкасаются со стенками рабочей полости и делят таким образом

рабочую полость на три взаимоизолированные камеры, в каждой из

которых последовательно происходят процессы четырехтактного

цикла: впуск, сжатие, сгорание и расширение и выпуск (см. рис. 3.16).

Собственно камеры сгорания образованы выемками 7 на гранях

ротора. Впуск свежей топливовоздушной смеси и выпуск

отработавших газов осуществляются

через впускные 8 и выпускные 9

окна в верхней части корпуса, что значительно упрощает конструкцию

из-за отсутствия клапанного механизма газораспределения. Система

охлаждения в двигателе Ванкеля устроена аналогично системе

классических кривошипно-шатунных поршневых двигателей – от

корпуса тепло отводится охлаждающей жидкостью, циркулирующей в

рубашке охлаждения 10.

Как можно увидеть из приведенных выше описания конструкции

принципа работы двигателя Ванкеля, однороторный, или

односекционный, двигатель Ванкеля с трехгранным ротором

соответствует трехцилиндровому четырехтактному поршневому

двигателю классической схемы. Отсюда массы и размеры такого

двигателя в 2 – 3 раза меньше соответствующих ему по мощности

двигателей с кривошипно-шатунной схемой. Это объясняется также

еще и возможностью двигателя развивать значительно бóльшее

количество оборотов –

до 20000 об / мин и более.

Так, первый экспериментальный двигатель Ванкеля, изготовленный

в 1957 г., при рабочем объеме 125 см

развивал мощность 45 л.с. при

17000 об / мин и весил всего 11 кг.

Кроме двигателя с трехгранным ротором Ванкель предложил

также конструкции с четырех-, пяти- и шестигранными роторами, но

они заметно уступали по основным показателям двигателю с

трехгранным ротором, поэтому дальнейшего развития не получили.

Благодаря простоте конструкции, малым удельным

массогабаритным показателям, относительно высокой экономичности

и низкой токсичности, а также достаточно высокой надежности в

работе планетарный двигатель Ванкеля с трехгранным ротором на

данный момент является единственным роторно-поршневым

двигателем, который нашел достаточно широкое практическое

применение.

Двигатели Ванкеля производятся сегодня в США, Японии, России

и других странах мира для автомобилей, легких судов и малой авиации.

Так, в России роторно-поршневые дви-

гатели Ванкеля разрабатываются и

изготавливаются

в разных модифи-

кациях для автомобилей и самолетов

на ОАО «Автоваз».

В качестве примера на рис. 3.17

представлен один из таких трехсек-

ционных двигателей ВАЗ-426 рабо-

чим объемом 3×0,654 дм

для легкого

самолета, развивающий взлетную

мощность 270 л.с. при 6000 об/мин.

Тем не менее, несмотря на все-

общее признание двигателей Ванке-

ля, более широкое и повсемест-

ное применение их пока что огра-

ничивается из-за некоторых их недо-

статков. К числу таких недостатков

относятся сложности в обеспечении надежной герметизации камер

сгорания ротора между собой, несколько более высокий расход

топлива в сравнении с лучшими современными образцами

кривошипно-шатунных двигателей, сложность охлаждения ротора и т. п.

4. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ

ПОРШНЕВЫХ И РАКЕТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО

СГОРАНИЯ

4.1. Поршневые двигатели

Как все новое, что появляется в области техники, поршневой

двигатель внутреннего

сгорания претерпел наиболее интенсивный

этап своего развития в первые 40 – 50 лет с момента своего

возникновения. В течение этого времени были созданы все те

Рис. 3.17. Роторно-

поршневой двигатель

Ванкеля ВАЗ-426

конструкции поршневых двигателей, основных его систем, узлов и

деталей, которые работают и сегодня. Основным стимулом развития

и совершенствования поршневых двигателей в тот период было

использование их для авиации – авиационные двигатели практически

по всем своим показателям намного опережали двигатели,

применяемые на автотранспорте, судах, а также двигатели прочего

назначения. Это объяснялось особыми

требованиями к авиационным

двигателям по минимально возможным массогабаритным

характеристикам, а значит, по максимально возможной их удельной

мощности, высокой экономичности и надежности работы.

Начиная с конца сороковых годов прошлого столетия и на

протяжении почти тридцати последующих лет темпы

совершенствования конструкций и характеристик поршневых

двигателей заметно снизились. Одной из основных причин этому

можно

считать почти полный отказ от использования поршневых

двигателей в авиации. В течение указанного периода эволюция

поршневых двигателей шла достаточно медленно и была связана, в

основном, с повышением их удельных мощностей. Этого достигали

путем повышения количества оборотов в результате перехода

от нижнеклапанного газораспределения к верхнеклапанному с

верхнерасположенным распределительным валом и благодаря

применению новых материалов и технологий производства, а

также путем улучшения эксплуатационных характеристик

топлив. Это позволило увеличить степень сжатия в цилиндрах.

После практически полной замены поршневых двигателей в

авиации газотурбинными приоритетной областью применения

поршневых двигателей становится автомобилестроение, где и

сегодня используется подавляющее их большинство. В связи с этим и

развитие поршневых двигателей

в основном начинает определяться

требованиями, которые предъявляются к автомобильным двигателям.

С шестидесятых годов начинается бурное развитие

автомобилестроения. Количество автомобилей во всем мире и

особенно в промышленно развитых странах резко увеличивается и

продолжает интенсивно расти. Это приводит к увеличению выбросов

в атмосферу вредных для человека (канцерогенных, или токсичных)

веществ, которые присутствуют

в выхлопных газах поршневых

двигателей: окись углерода СО, окислы азота NO

и различные

несгоревшие углеводороды C

. Кроме того, оценка учеными

мировых запасов углеводородных горючих, повсеместно

используемых человечеством для своих энергетических нужд, в том

числе и для поршневых двигателей, приводит их к выводам о скором

(в ближайшие 50 лет) их истощении и приближающемся

энергетическом кризисе.

Указанные выше два фактора – намечающийся

энергетический кризис и ухудшение экологии окружающей

среды – стали основными причинами того, что с семидесятых

годов начинается новый этап в развитии поршневых

двигателей. С этого времени совершенствование поршневых

двигателей идет преимущественно по пути снижения расхода

топлива и уменьшения токсичности их выхлопных газов.

Кроме того, конструкторы поршневых двигателей продолжают

уделять большое внимание повышению их эксплуатационных

качеств, таких, как

удельная мощность и надежность работы, что

обусловлено конкуренцией на рынках сбыта. Решение этих задач

двигателестроителями осуществляется различными способами,

которые можно свести к следующим:

• применение электронных систем контроля и

управления;

• управление газораспределением;

• применение новых способов подачи топлива и

смесеобразования;

• регулирование процессом сжатия;

• совершенствование впускных систем;

• применение

новых видов топлив.

На сегодня универсальным методом снижения токсичности

поршневых двигателей является установка в их выпускной системе

различных нейтрализаторов вредных составляющих выхлопных

газов, а для дизелей к тому же еще и фильтров для улавливания

сажи. Однако такое применение нейтрализаторов нельзя

рассматривать как совершенствование поршневого двигателя, а

только лишь как дополнительное

устройство на выходе из него, к тому

же ухудшающее основные его показатели работы.

Рассмотрим более подробно, какие же конкретные новые

технические решения применяются в современных поршневых

двигателях.

4.1.1. Электронные системы контроля и управления

Огромные успехи в области электроники и бурное развитие

различных электронных управляющих устройств и систем, которое

начинается с

семидесятых годов, послужило основным толчком к

созданию поршневых двигателей нового поколения. Появилась

возможность с помощью электронных средств управлять рабочим

процессом поршневого двигателя и работой всех его систем таким

образом, чтобы получать наиболее приемлемые параметры и

характеристики работы двигателя.

В области применения электроники в управлении поршневым

двигателем на первом месте стоят

электронные системы

управления зажиганием и впрыском, которые в зависимости от

режима работы двигателя производят расчет наилучшего опережения

зажигания и точной дозировки впрыскиваемого топлива.

Одной из первых и наиболее удачных электронных систем этого

типа, которая с успехом работает и на современных двигателях,

стала разработанная в восьмидесятые годы немецкая система

Bosch Motronic. В этой системе с помощью датчиков осуществляется

компьютерный контроль за количеством

и температурой подаваемого

в цилиндры воздуха, температурой двигателя, составом выхлопных

газов, количеством оборотов двигателя и т. д. Сигналы от датчиков

поступают в электронный блок компьютера, который, обрабатывая их,

выдает управляющие сигналы на распределитель зажигания,

электроинжекторные топливные форсунки и дроссельную заслонку

подачи воздуха. Тем самым в зависимости от данных, поступающих

от

датчиков, электронным блоком выбирается оптимальный угол

опережения зажигания и оптимальное количество подаваемых в

цилиндры топлива и воздуха, что позволяет заметно снизить

удельный расход топлива и уменьшить количество вредных

выбросов.

Дальнейшее совершенствование поршневых двигателей

привело к заметному расширению функций, выполняемых

электронными системами. Например, помимо основных своих

функций управления зажиганием и впрыском электронные

системы

современных двигателей выполняют такие наиболее важные

дополнительные функции:

– контроль детонации с помощью специальных

зондоакселерометров, которые устанавливаются на двигателе и

вырабатывают сигналы для регулировки угла опережения

зажигания или давления нагнетания воздуха для устранения

детонации;

– контроль состава выхлопных газов с помощью зондов

Ламбда, устанавливаемых в выхлопном тракте, с последующей

коррекцией

состава топливовоздушной смеси для

обеспечения оптимальной эксплуатации каталитических

преобразователей;

– управление механизмами газораспределения в двигателях

с фазовращением и электроклапанами (см. подразд. 4.1.2);

– контроль скорости нарастания давления в цилиндрах

двигателей с турбонагнетателями;

– контроль изменения фаз впрыска топлива или

конфигурации системы питания на двигателях с различной

фазировкой подачи топлива или различными системами питания

с переменной геометрией;

– управление геометрией впускного контура в двигателях с

изменяемой конфигурацией впускного трубопровода;

– операции самодиагностики основных функций.

4.1.2. Управляемое газораспределение

После электронного контроля и управления зажиганием и

впрыском наиболее важной системой, определяющей почти все

основные параметры работы двигателя, является система

газораспределения, которая управляет открытием и закрытием

впускных и выпускных клапанов. Моменты открытия и закрытия

клапанов (в двухтактных двигателях – окон) называются фазами

газораспределения, которые измеряются в градусах поворота

коленчатого вала относительно ВМТ или НМТ.

Вплоть до 80-х годов XX века для каждого конкретного двигателя

фазы газораспределения выбирались из условия обеспечения

наиболее экономичной работы двигателя на номинальном режиме,

близком к режиму максимальных оборотов. На всех остальных

режимах работы они оставались неизменными. Это приводит к тому,

что при работе двигателя на

режимах, отличных от номинального

(расчетного), существенно ухудшается экономичность двигателя и

возрастает количество вредных выбросов. Особенно остро эта

проблема стоит для автомобильных двигателей, у которых в процессе

езды автомобиля режимы работы изменяются от соответствующих

минимальным оборотам до максимальных. Таким образом, для

увеличения экономичности двигателя и снижения его токсичности на

всех режимах

необходимо было изменять фазы открытия и закрытия

клапанов в зависимости от режима работы двигателя, т. е.

производить фазовращение.

Трудности в реализации идеи фазовращения заключались в

создании работоспособных и надежных исполнительных механизмов.

Первые двигатели с фазовращением начинают появляться с 80-х

годов. Система регулировки фаз у них основана преимущественно на

проворачивании кулачкового распределительного

вала относительно

коленчатого вала или фазовом сдвиге одного распределительного

вала относительно другого. Такое изменение относительного

положения распредвалов осуществляется путем поворота зубчатого

колеса цепного привода распределительного вала на некоторый угол

с помощью гидравлического устройства – в этих системах впускными

и выпускными клапанами управляют, как правило, два отдельных

распредвала. Подобные системы применяются на

двигателях

автомобилей Alfa Romeo, Mercedes, BMW, Porsche (система

VarioCAM Plus), Nissan.

Тогда же японская фирма Honda разработала более сложную

систему, получившую название VTEC. В этой системе для каждой

группы из двух одноименных клапанов (четырехклапанная схема)

имеются три кулачка и три толкателя. Центральный толкатель не

действует непосредственно на клапаны, а может жестко скрепляться

с другими двумя посредством поршенька, управляемого