3.2.5. Перспективы развития автомобильных двигателей

При работе с данным разделом Вам предстоит:

1) Изучить теоретический материал данной темы:

2) Ответить на вопросы для самопроверки.

3) Ответить на вопросы тренировочного теста № 5.

4) Ответить на вопросы контрольного теста № 5.

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.

Сравнительная оценка поршневых и роторных двигателей

Серийные роторные двигатели (РД) введены в эксплуатацию в 1964 – 1965гг. Роторные двигатели имеют явное преимущество по сравнению с поршневыми по удельным мощностям и весогабаритным показателям. По литровой мощности и удельному весу только поршневые двигатели гоночных машин сравнимы с аналогичными параметрами РД. Экономичность поршневых и роторных двигателей практически одинакова. О долговечности говорить еще рано, так как поршневые двигатели существуют сотню лет, а РД только несколько десятков лет.

Наиболее слабое звено РД это износы пластин радиальных уплотнений. Одним из преимуществ РД является бесшумность работы. Надежность и безопасность РД равноценна поршневым. Особым преимуществом РД по сравнению с поршневым и газотурбинным двигателями является возможность создания унифицированных мощностных рядов с соотношением мощности от 1:1 до 1:10 путем наращивания мощностных секций. И конечно положительным качеством РД является простота конструкции и сравнительно небольшая стоимость.

Недостатками роторных двигателей являются:

1. Ограниченные возможности в образовании требуемой формы камеры сгорания.

2. Трудность обеспечения жидкостной смазки сопряженных пар, непосредственно соприкасающихся с горячими газами.

3. Отрыв пластин радиальных уплотнений от поверхности корпуса.

4. Система уплотнений менее надежна в работе и менее долговечна, чем у поршневых двигателей.

5. Процессы рабочего цикла распределены по отдельным участкам корпуса, что вызывает его неравномерное нагревание и деформацию.

На основании вышеупомянутого следуют выводы, что применять роторные двигатели наиболее целесообразно при низких и средних мощностях, а мощность в односекционном исполнении не должна превышать 100…150 кВт. Роторные двигатели широко применяются в вертолетостроении. В 70…80-е гг. ХХ века проводились большие работы по использованию роторных двигателей в автомобилестроении, однако по вышеперечисленным причинам широкого внедрения они не получили.

Двигатели с внешним подводом тепла (двигатели Стирлинга)

К особенностям двигателей Стирлинга следует отнести высокий КПД, возможность использования различных тепловых источников, в том числе и тепловых аккумуляторов, малую токсичность, низкий уровень шума и вибрации, незначительный расход масла, высокую экономичность при работе на неноминальном режиме, нечувствительность к пыли, возможность работы со значительными кратковременными перегрузками, большую теплоотдачу в окружающую среду, сложность регулирования и высокую стоимость изготовления.

Высокий КПД, а следовательно, и большая экономичность, является важной особенностью Стирлинга. Это связано с тем, что η_t термодинамического цикла Стирлинга равен КПД цикла Карно.

По данным фирмы Philips двигатели в диапазоне 6…900 кВт имеют КПД , равный 0,26…0,43. В настоящее время созданы двигатели с КПД равным 0,41…0,43 и ведутся работы по созданию Стирлинга с КПД равным 0,5 и удельным расходом топлива равным 170 г/кВт.ч. Предельная величина КПД с учетом достигнутых температур составляет 0,6. Однако для реализации этих возможностей необходимо преодолеть конструктивные и технологические трудности.

Внешний подвод теплоты, используемый в Стирлинге, позволяет применять различные тепловые источники без существенных изменений конструкции двигателя. Практически все ископаемые топлива от твердых до газообразных могут быть использованы в этом двигателе.

Термодинамический цикл Стирлинга

Двигатель Стирлинга является тепловым газовым двигателем поршневого типа с внешним подводом теплоты. Он работает по замкнутому циклу. В основе работы двигателя Стирлинга лежит термодинамический цикл, показанный на рис. 18.

Этот цикл состоит из следующих процессов: сжатие по изотерме а-с с отводом теплоты ; подвод теплоты при V=const; расширение по изотерме z –b с подводом теплоты ; отводприV=const.

Изотермическое сжатие происходит при низкой температуре Т₂ и сопровождается отводом теплоты (для обеспечения изотермичности процесса). Изотермическое расширение при высокой температуре Т₁ происходит с подводом теплоты (для обеспечения изотермичности процесса). Так как в процессеb – a рабочее тело охлаждается от температуры Т₁ до температуры Т₂ , а в процессе подвода теплоты c – z нагревается от Т₂ до Т₁, количество теплоты принципиально может быть регенерировано, т.е. сообщено рабочему телу в процессеc – z его нагрева. Регенерация теплоты является отличительной особенностью цикла Стирлинга.

Рис. 18. Термодинамический цикл двигателя Стирлинга

Полезная работа цикла Стирлинга также представляет собой разность работ: работы, полученной в процессе расширения, и работы, затраченной в процессе сжатия; эта разность эквивалентна площади a-c-z-b-a.

Принцип работы двигателя Стирлинга

В конструкции, представленной на рис. 19, холодное рабочее тело сжимается поршнем 2, движущимся влево (рис. 19,а), а вытеснительный поршень 1 в это время остается неподвижным.

Затем вытеснительный поршень при неподвижном рабочем поршне начинает двигаться вправо, переталкивая газ в горячую полость над вытеснительным поршнем через нагреватель Н (рис. 19,б). При расширении нагретого газа рабочий и вытеснительный поршни движутся вместе вправо (рис. 19,в), причем работу совершает только рабочий поршень, так как давление газа с обеих сторон вытеснительного поршня приблизительно одинаково.

Когда вытеснительный поршень при неподвижном рабочем поршне возвращается влево, перемещается газ в холодную полость под вытеснительным поршнем через охладитель О, происходит отдача теплоты холодному источнику (рис. 19,г). В этом случае происходит излишняя потеря теплоты при перетекании рабочего тела из горячей полости в холодную.

Рис.19.Схема работы двигателя Стирлинга

КПД двигателя существенно увеличится, если применить регенератор Р, который встраивается между нагревателем и охладителем и с помощью которого ликвидируется потеря теплоты. Регенератор накапливает теплоту, отнимая ее от нагретого рабочего тела при течении его в холодную полость и возвращая ее при обратном течении.

Двигатель может иметь буферную полость 3 и уплотнение 4, отделяющее буферную полость от внешней среды. В качестве рабочего тела для двигателя Стирлинга можно использовать водород. Двигатель при этом имеет наиболее высокие эффективные показатели рабочего процесса. Однако при его применении следует принимать особые меры для обеспечения безопасности эксплуатации такого двигателя.

Во многих случаях в качестве рабочего тела в двигателях используют гелий, аргон, углекислый газ или другие инертные газы. Это позволяет исключить возможность их окисления и использовать такие металлы, как ниобий или молибден или его сплавы. Эти материалы в нейтральной атмосфере при очень высоких температурах допускают напряжения до 40 кгс/мм². Гелий обладает большей теплоемкостью и лучшей теплопроводностью по сравнению с воздухом. Использование гелия вместо воздуха позволяет сократить габаритные размеры теплообменных аппаратов примерно в 2…3 раза. Устройство двигателя Стирлинга представлено на рис. 20.

Рис. 20. Конструктивная схема двигателя Стирлинга с ромбическим механизмом:

1 - картер; 2 и 25 - шатуны; 3 и 26 - кривошипы коленчатых валов; 4 и 27 -противовесы коленчатых валов; 5 - синхронизирующая шестерня; 6 - буферная полость; 7 – рабочий поршень; 8 - холодная полость; 9 – вытеснительный поршень; 10 – канал подвода воздуха в камеру сгорания; 11 – нагреватель; 12 –камера сгорания; 13 – кольцевая полость; 14 – форсунка; 15 – канал отвода продуктов сгорания; 16 – воздухоподогреватель; 17 – регенератор; 18 –охладитель; 19 – водяная рубашка охладителя; 20 – цилиндр; 21 – диафрагменное уплотнение; 22 – шток рабочего поршня; 23 – шток вытеснительного поршня; 24 – траверса рабочего поршня; 28 – траверса вытеснительного поршня; 29 – палец шатуна

Особенности двигателя Стирлинга

Поскольку современные образцы двигателей Стирлинга имеют такие же удельные показатели по расходу топлива, мощности, массе и габаритным размерам, как и двигатели внутреннего сгорания, а в отдельных случаях и превосходят их, то они представляют большой интерес для нужд транспортного машиностроения.

К особенностям двигателей Стирлинга следует отнести высокий КПД (до 0,6), возможность использования различных тепловых источников, в том числе и тепловых аккумуляторных, малую токсичность (или отсутствие ее), низкий уровень шума и вибрации, незначительный расход смазочного материала, высокий КПД на неноминальном режиме, нечувствительность к пыли в окружающей среде, возможность работы со значительными кратковременными перегрузками, большую теплоотдачу в окружающую среду, сложность регулирования и относительно высокую стоимость.

Преимущество двигателей Стирлинга по сравнению с двигателями других типов: низкий уровень шума, малая токсичность, возможность использования различных видов топлив, высокая экономичность на частичных нагрузках – все это стимулирует работы по созданию двигателей Стирлинга для автомобилей различного назначения.

Наиболее перспективными конструкциями двигателей Стирлинга, обеспечивающими высокие удельные показатели по мощности, экономичности, массе и объему являются V-образные двигатели и двигатели с барабанным расположением цилиндров двойного действия. По величине среднего эффективного давления и литровой мощности двигатели Стирлинга превосходят дизели.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ

1. Какие существуют направления улучшения показателей автомобильных двигателей?

2. Какие виды альтернативных топлив могут быть использованы?

3. Какие новые типы двигателей могут быть использованы?

4. Перечислите их сравнительные достоинства и недостатки.