Перспективы развития автомобильных двигателей

Изучаемые вопросы:

Перспективные конструкции автомобильных двигателей; их достоинства и недостатки

При современном развитии техники двигателестроения постоянно стоит вопрос о дальнейшем совершенствовании двигателей. По какому пойти пути? Конструктивно, существующие автомобильные двигатели дошли почти до предела. Главная цель: повышение топливной экономичности, ресурса и экологической безопасности с одновременным повышением удельной мощности. Идут несколькими путями: разработкой альтернативных топлив, присадок к существующим топливам, применением существующих более экологичных видов топлив, созданием адиабатных двигателей, широким внедрением электроники и созданием принципиально новых конструкций.

Наиболее перспективной заменой бензиновым и дизельным двигателям с экологических позиций является мотор, питающийся от так называемых топливных клеток. В качестве источника энергии он использует водород, поэтому выхлопные газы состоят преимущественно из водяного пара и не содержат веществ, загрязняющих окружающую среду. Лидером в области разработки топливных элементов является канадская компания Ballard Power Systems. Ее разработками заинтересовались германо-американский автогигант Daimler-Craysler и Ford Motor. Первый экспериментальный автомобиль с двигателем на топливных клетках – мини-вэн Necar-1 фирмы Ballard Power Systems и Daimler-Craysler представили в 1994 году.

Газовые двигатели

В связи с борьбой за чистоту окружающей среды в последнее время стали особенно уделять внимание газовым двигателям, транспортным и стационарным.

Для транспортных газовых двигателей получение газа обеспечивается двумя способами:

– непосредственным производством, путем газификации твердого топлива в газогенераторах;

– путем установки баллонов периодически наполняемых газом.

Газогенераторные машины используют различное газифицированное топливо: древесное, древесно-угольное, антрацитовое, солому, опилки и т.д.

В баллонах используют сжимаемые и несжимаемые газы.

Образование рабочей смеси в газовых двигателях обычно происходит путем непосредственного смешения газа с воздухом в приборах, называемых смесителями и устанавливаемых перед впускным коллектором двигателя.

Газогенераторной установкой называется совокупность всех агрегатов, предназначенных для выработки и подготовки газа, пригодного для использования в двигателе в качестве топлива.

Важнейшей частью газогенераторной установки является газогенератор, в котором из твердого топлива вырабатывается горючий газ. На выходе из газогенератора газ имеет высокую температуру и загрязнен водой, сажей и мелкими кусками обуглившегося топлива. Поэтому важнейшей принадлежностью транспортной газогенераторной установки является агрегат для очистки и охлаждения газа. Обычная схема газогенераторной установки включает в себя в порядке последовательности: газогенератор, грубый очиститель, охладитель, тонкий очиститель.

Исходным топливом газогенераторной установки могут служить разнообразные виды твердых горючих: дрова, древесный уголь, торф, кокс, антрацит, некоторые породы каменных углей, брикеты из опилок, соломы и др.

Поршневые двигатели внутреннего сгорания прошли длительный путь развития и достигли высокой степени совершенства. Необходимо отметить, что у современных поршневых двигателей в основном использованы возможности дальнейшего совершенствования их удельных, мощностных, экономических и весогабаритных показателей. Максимальные значения оборотов серийных двигателей достигают 6000-8000 оборотов в минуту. Ограничение роста числа оборотов объясняется увеличением инерционных сил, механических потерь, повышением механической и тепловой напряженности.

В настоящее время средние значения степени сжатия бензиновых двигателей находятся в пределах 6,5…8,5, достигая в некоторых случаях до 9…11. Дальнейшие повышения степени сжатия не могут привести к существенному увеличению индикаторного КПД и к повышению топливной экономичности. Кроме того, в этом случае усложняется конструкция двигателя, увеличиваются механические потери, повышается износ деталей, возникает детонация.

Однако, существует возможность увеличения роста термического КПД у поршневых двигателей за счет увеличения срабатываемого теплоперепада, создав, так называемый адиабатный двигатель. В этом случае тепло, образующееся при сгорании топлива, почти не отводится в охлаждающую среду. Такие работы проводились ЦНИДИ в 80-х годах ХХ века, но не дали существенных результатов. Теоретически это дает большой эффект, а реально – пока нет подходящих жаропрочных металлокерамических материалов, смазывающих масел и т.д. для деталей цилиндропоршневой группы.

Ограниченные возможности и недостатки поршневых двигателей приводят к необходимости частичной, а в некоторых случаях и полной их замене более современными типами двигателей. Таким являются газотурбинные двигатели (ГТД). Они получили широкое распространение в авиации, судостроении и в оборонном транспортном машиностроении.

Газотурбинный двигатель отличает от поршневого большая агрегатная мощность. Однако серийного выпуска наземных транспортных ГТД не производится в связи с тем, что они имеют следующие недостатки:

1. Низкий эффективный КПД вследствие значительных тепловых потерь и применения небольших степеней сжатия.

2. Ограничение возможности повышения эффективного КПД из-за высокотемпературного процесса, что ограничивает применение материалов лопаток турбины и сопловых аппаратов. Кроме того, применение регенеративных циклов, вынужденных устанавливать теплообменные аппараты и соединительные газопроводы усложняют конструкцию, увеличивают ее вес и стоимость. Чем меньше мощность, тем сильнее сказываются перечисленные недостатки.

3. Работа на переменных режимах сопровождается резким падением эффективного КПД.

4. Ограниченный срок службы лопаточных аппаратов, находящихся под воздействием высоких температур и больших инерционных нагрузок.

5. Ограниченный срок службы деталей высокоскоростных редукторов.

Теоретически газотурбинные двигатели по сравнению с поршневыми и роторными имеют значительные преимущества, но широкое практическое их использование ограничено из-за указанных выше недостатков.

Газотурбинные двигатели в транспортном машиностроении целесообразно использовать в тех областях, где требуется высокая мощность, не взирая на топливную экономичность (большие грузовые самосвалы, бронетанковая техника и др.).

Роторный двигатель

Начиная с 1958 г. большое внимание уделялось роторным двигателям, первые образцы которых были испытаны в лабораториях фирмы NSU (ФРГ) под руководством изобретателя Ф. Ванкеля.

Удачное решение кинематики роторного механизма, предложенное Ванкелем, позволило осуществить двигатель внутреннего сгорания с постоянным зажиганием смеси.

Роторные двигатели по сравнению с поршневыми имеют следующие преимущества: высокую быстроходность, компактность, малый удельный вес, значительную удельную мощность, низкие механические потери, простоту конструкции и механизмов привода, большую износостойкость, бесшумность в работе, быстрые и легкие пуск и остановку, простоту обслуживания в эксплуатации.

Имеются три принципиально отличных варианта осуществления рабочего процесса трохоидных двигателей: с вращающимся ротором, с вращающимся корпусом и с вращающимися корпусом и ротором одновременно.

Обычное применение нашли двигатели с вращающимся ротором, выполненным по внутренним огибающим и с неподвижным эпитрохоидным корпусом. Эти двигатели имеют следующие преимущества: простоту конструкции, наименьшее количество деталей, небольшие относительные скорости ротора и вала, малый периметр уплотнений, отсутствие механизма газораспределения и отсутствие неуравновешенных сил инерции.

Рис. 16. Схема протекания рабочего процесса двухэпитрохоидного роторного двигателя

Последовательность процессов рабочего цикла можно проследить по одной из сторон ротора (рис. 16). При положении 1 ротора начинается процесс наполнения в рабочую камеру (линия АВ). Одновременно с процессом наполнения продолжается процесс выпуска отработавших газов. Благодаря поступлению свежей смеси осуществляется продувка рабочей камеры с частичной потерей свежего заряда. При положении 3 рабочая камера имеет максимальный объем . Между положениями ротора 3 и 4 процесс сжатия происходит одновременно с дозарядкой рабочей камеры. Положение 4 конец процесса наполнения.

Положение 5 соответствует наименьшему объему рабочей камеры . Между положениями 5 и 6 одновременно совершаются процессы сгорания и расширения. В положении 6 – начало процесса выпуска, который продолжается до достижением ротора положения 8, когда пластина уплотнения вершины ротора В перекроет выпускной канал.

В положении 9 рабочий цикл рассматриваемой камеры заканчивается и начинается рабочий цикл в смежной рабочей камере со стороной ВС.

Рабочий цикл двухэпитрохоидного роторного двигателя (РД) состоит из процессов газообмена, сжатия, сгорания и расширения (рис. 17).

Рис. 17. Полярная диаграмма роторного двигателя

Процессы газообмена РД складываются из выпуска отработавших газов и наполнения рабочей камеры свежей смесью. Процесс выпуска можно разделить на несколько периодов. Первый – предварение выпуска – начинается с момента открытия пластиной уплотнения вершины ротора А выпускного канала и заканчивается при положении ротора, соответствующего . Продолжительность определяется углом ДОН.

Второй период – принудительного выпуска – осуществляется в результате выталкивающего действия ротора, он обозначен углом НОА.

Третий период совмещен с началом процесса наполнения и характеризуется наличием продувки рабочей камеры свежей смесью, он обозначен углом AOG.

В течение четвертого периода одновременно совершаются четыре взаимосвязанных процесса: выпуска и наполнения в рассматриваемой камере, расширения и выпуска в смежной задней рабочей камере.

Процесс с ж а т и я на полярной диаграмме занимает участок корпуса, охватываемый углом BOF. Характерной особенностью РД являются высокие антидетонационные свойства. Для РД наивыгоднейшие степени сжатия из условия достижения наибольшего среднего эффективного давления лежат в

пределах ε = 9…11, а для обеспечения наименьших удельных расходов топлива ε = 8,5…10. Значения среднего показателя политропы сжатия (n₁) лежат в пределах 1,365…1,39.

Процесс с г о р а н и я . Основная особенность процесса сгорания состоит в совмещении его с процессом расширения и протекания в увеличивающемся объеме рабочей камеры. Общее влияние состава смеси и угла опережения зажигания на процесс сгорания у РД то же, что и у поршневого. Экономический состав смеси достигается при ά = 1,17…1,2. Роторные двигатели более устойчиво работают на обедненных составах смеси (до ά = 1,27…1,3). Эта способность зависит от места расположения свечи зажигания.

Процесс р а с ш и р е н и я занимает угол FOH, равный ~104⁰ поворота ротора. Особенностью процесса расширения является совместное его протекание с процессом сгорания и только в конце на участке корпуса он совмещен с процессом выпуска. Вследствие подвода большого количества тепла от догорающей смеси, больших чисел оборотов ротора и затрудняющих условий теплоотвода, средний показатель политропы расширения имеет пониженные значения сжатия (n₂ = 1,15…1,2).

Дизельные варианты РД разрабатывались такими фирмами, как Krupp, Klochner – Humbold – Deutz, Daimler – Benz, Jnmar – Diesel.

Основная трудность:

- сложность организации совершенного смесеобразования при впрыске топлива;

- необходимость турбулизации заряда.

Применение способов смесеобразования с разделенными камерами ограничено затруднениями в сокращении требуемой ε при образовании полостей вспомогательных камер, нежелательным перетеканием газа между смежными камерами через отверстия соединительных каналов и сложностью их оптимального расположения. Повышение степени сжатия усложняет их кинематическую схему.

Применение впрыска бензина позволит:

- устранить потери смеси, имеющие место при продувке;

- понизить тепловую напряженность за счет отдачи тепла на парообразование топлива прямо в камере двигателя;

- увеличить наполнение из-за уменьшения сопротивления на впуске и понижения температуры воздуха;

- уменьшить подачу масла на охлаждение ротора;

- уменьшить инерционные силы, нагрузки от них и износы;

- упростить конструкцию впускных трубопроводов и облегчить применение инерционного наддува.

Впрыск можно производить как в рабочую камеру, так и во впускную трубу. Возможно применение факельного зажигания.