К&М
Меню сайта
Форма входа
Категории раздела
Мои статьи [1]
Двигатели внутреннего сгорания [9]
Электроуправляемые приводы [1]
Элекроуправляемый привод СНВТ для ДВС [5]
Цикл статей
Поиск
Наш опрос
Оцените мой сайт
Всего ответов: 81
Друзья сайта
  • Официальный блог
  • Сообщество uCoz
  • FAQ по системе
  • Инструкции для uCoz

  • Сайты Поволжья
    Статистика

    Онлайн всего: 1
    Гостей: 1
    Пользователей: 0





    Rambler's Top100




    Четверг, 19.10.2017, 17:26
    Приветствую Вас Гость | RSS
    Главная | Регистрация | Вход
    Каталог статей
    Главная » Статьи » Двигатели внутреннего сгорания

    Обоснование типа и конструкции многоцелевого двигателя внутреннего сгорания
    УДК 621.863.2
    И. О. Кирилюк

    Аннотация. В работе предлагаются пути совершенствования двигателей внутреннего сгорания за счет использования предлагаемых автором оппозитных схем кривошипно-шатунных механизмов, обеспечивающих снижение удельных весовых и габаритных показателей, увеличение  ресурса и экономичности.
    Ключевые слова: оппозитный, двигатель внутреннего сгорания, кривошипно-шатунный механизм,  уравновешенность, транспорт.

    Одними из возможных путей совершенствования двигателей внутреннего сгорания (ДВС) являются следующие:
    • Повышение экономичности и моторесурса
    • Снижение удельных весовых и габаритных показателей
    • Возможность создания многоцелевых (предназначенных для использования на наземном, водном и воздушном транспорте) двигателей на базе одной конструкции
    • Возможность сборки мощностных рядов силовых установок из отдельных модулей-секций с отключение части секций при работе на частичных нагрузках.
    Из опыта конструирования двигателей внутреннего сгорания известно, что наиболее простыми, экономичными, надежными и долговечными являются двигатели с минимально возможным количеством цилиндров. Однако двигатели, с числом цилиндров менее 4, имеют большие удельные показатели по массе и габаритам, требуют использования специальных механизмов для уравновешивания сил и моментов инерции, что ограничивает область их применения. В настоящее время, в зависимости от назначения, наиболее широко используются 4-6-8-12 цилиндровые двигатели. Использование 1-2-3 цилиндровых двигателей ограниченно двигателями с небольшими рабочими объёмами цилиндров (менее 0.55 л).

    Известны также и удачные конструкции двухцилиндровых оппозитных двигателей, например двухцилиндровый оппозитный двигатель «Идеал» К. Бенца  и спроектированный А. Лефебром в 1938 году и выпускавшийся в различных модификациях до недавнего времени двухцилиндровый оппозитный двигатель автомобиля «Ситроен_2_CV». Использование оппозитной схемы позволило создать простые, компактные и хорошо уравновешенные двухцилиндровые двигатели.

    При увеличении рабочего объёма цилиндров оппозитных двухцилиндровых двигателей возникает необходимость в применении специальных уравновешивающих механизмов, что снижает их преимущества. В настоящее время выпускаются лишь сравнительно небольшие (с рабочим объёмом цилиндров менее 1,1 литра) двухцилиндровые оппозитные двигатели. Оппозитное расположение цилиндров использовано в удачных автомобильных двигателях "Фольксваген", "Порше", "Субару" с числом цилиндров 4-6-8. Тем не менее, оппозитные конструкции для автомобильных двигателей используются редко, и их доля составляет только 1,3...1,9_% от суммарного выпуска двигателей [1].

    В авиации общего назначения (АОН) оппозитные, в том числе двухцилиндровые двигатели используются в абсолютном большинстве случаев. Например, примерно 83% самолетов АОН в США оснащены оппозитными двигателями Teledyne Continental и Textron Lycoming [2].

    Авиационные двигатели фирм "Rotax" и "Hirth" также являются оппозитными. По оппозитной схеме выполняются и двухцилиндровые двухтактные двигатели с синхронно работающими цилиндрами. На базе автомобильных двигателей с оппозитным расположением цилиндров фирм "Фольксваген", "Порше", "Субару" были созданы авиационные модификации. Не будет преувеличением считать оппозитную схему лучшей из освоенных в производстве для двигателей АОН.

    Оппозитные двигатели имеют достаточно малый удельный вес (0,65-0,85 кг/л.с.), небольшое поперечное сечение, образуют ряд модификаций с 2, 4, 6 и 8 цилиндрами [3]. Эта схема позволяет легко использовать все современные достижения автомобильного двигателестроения при создании двигателей для АОН. Прочные позиции фирм "Lycoming" и "Teledyne Continental" на рынке авиадвигателей во многом определяются удачным выбором конструктивной схемы.

    В Украине и России оппозитные двигатели практически не производятся за исключением устаревших двигателей тяжелых мотоциклов.

    Для АОН сегодня выпускается только один отечественный поршневой двигатель, реально доведенный до кондиции – звездообразный М-14П Воронежского моторного завода. Несмотря на то, что это удачный двигатель, сегодня он по ряду показателей устарел. Кроме того, необходимо иметь не один, а целую гамму моторов - в разных классах мощности. Причина сложившегося положения с двигателями для АОН в первую очередь определяется тем, что производители авиационной техники пока не могут гарантировать разработчикам и возможным производителям авиационных двигателей достаточного объема заказов для обеспечения рентабельности их производства.

    В то же время появляются предпосылки для значительно более широкого распространения АОН. Легкие самолёты нового поколения, оснащенные дизелями, могут оказаться экономичнее других транспортных средств (кроме многоместных автобусов) при междугородних пассажирских перевозках. [4]

    Удельные массовые и габаритные показатели массы современных двигателей автомобилей массового производства значительно снижены. Так удельная масса у бензинового двигателя “Vortec 5700” производства группы GM Powertrain составляет 0,66 кг/л.с. а у дизеля “TD Vecter” производства Detroit Diesel – 1.0 кг/л.с.[5]. Ведутся разработки авиационных модификаций автомобильных дизелей фирм Opel, Isuzu, Mersedes. Компания PG Group совместно с корпорацией Ford создает ряд авиационных дизельных моторов на базе моторов Ford нового поколения [6]. Объявила о своём намерении создать авиационную модификацию своего автомобильного двигателя и фирма Honda.

    В Украине и России существуют трудности крупного инвестирования в разработку и организацию производства авиационных ДВС. Поэтому особенно перспективным представляется создание новых многоцелевых двигателей, пригодных для установки как на мотоциклы, автомобили, тракторы, так и на АОН, катера. Это позволит решить задачу создания современных силовых установок для существующих и перспективных видов транспорта при минимальных инвестициях в разработку и организацию производства.

    Использование схемы КШМ с оппозитным расположением цилиндров позволяет создавать лёгкие (с удельной массой 0.6-0.8 кг/л.с.) многоцелевые, компактные и сравнительно простые двигатели внутреннего сгорания.

    Однако такие двигатели: недостаточно уравновешенны при использовании двухцилиндровых схем, длиннее V-образных, вследствие наличия промежуточной щеки коленчатого вала  (КВ) между смежными кривошипами, отличаются протяженными газовыми каналами, особенно при использовании одного карбюратора, сложностью компоновки и обеспечения удобства обслуживания многоцилиндровых оппозитных двигателей при установке их на автомобили. Поэтому в наземных транспортных машинах такие двигатели не нашли широкого применения.

    Полное уравновешивание двухцилиндровых оппозитных двигателей возможно при расположении цилиндров на одной оси и использовании соответствующей кривошипной схемы. При этом взаимно уравновешиваются переменные силы инерции и их моменты, двигатель будет сбалансирован не только относительно сил инерции вращающихся и движущихся возвратно-поступательно масс двигателя, но и относительно моментов инерции первого и высших порядков. Помимо прочего, это позволяет решить задачу сборки мощностных рядов силовых установок из отдельных модулей-секций и отключение части секций при работе на частичных нагрузках.

    Примерами таких схем могут служить изобретения по заявке DE 3132144 (опубл. 03.03.83 г., заявитель Volkswagenwerk AG) и по заявке EP 0503842 (опубл. 05.03.92 г., заявитель Israel Aircraft Industries, LTD). (Рисунок 1 А, Б). В этих двигателях первый поршень 1 связан со средней шатунной шейкой 2 с помощью обычного шатуна 3, а второй поршень 4 связан с крайними шатунными шейками 5,6 КВ 7 посредством: второго шатуна 8, который выполнен вильчатым и охватывает первый кривошип (заявка DE 3132144) (Рисунок 1А), второго 9 и третьего 10 шатунов. (заявка EP 0503842). (Рисунок 1Б).

    Недостаток рассматриваемых схем – чрезмерные нагрузки на кривошипно-шатунный механизм и опоры двигателя. В первом случае это обусловлено тем, что удаленность второй и третьей шатунных шеек от оси цилиндров требует использования второго, вильчатого шатуна больших размеров и массы. Причем для обеспечения уравновешенности двигателя первый, традиционный, шатун необходимо выполнить с массой, равной массе вильчатого шатуна, то есть заведомо переутяжелить. Однако, вследствие возрастания сил инерции движущихся масс, возрастают и нагрузки на кривошипно-шатунный механизм и опоры двигателя. Во втором случае необходимо использовать поршни большого диаметра для размещения верхних головок второго и третьего шатунов во внутренней полости второго поршня. А это приводит к увеличению массы и площади поршней, то есть к увеличению как сил инерции возвратно-поступательно движущихся масс, так и сил давления газов на поршень, вследствие чего возрастают суммарные силы, действующие на кривошипно-шатунный механизм и опоры двигателя. Таким образом, высокие нагрузки на кривошипно-шатунный механизм и опоры известных оппозитных двигателей внутреннего сгорания с трехкривошипным КВ, обусловлены тем, что использование конструктивных решений по обеспечению уравновешивания моментов и сил инерции поступательно движущихся масс, неизменно приводит к увеличению этих же масс, а значит и действующих в механизме сил.



    Рисунок 1.
    - схемы оппозитных двухцилиндровых ДВС с трёхкривошипными КВ


    Задача усовершенствования конструкции оппозитного двигателя внутреннего сгорания с трехкривошипным КВ, в котором уменьшены силы инерции возвратно-поступательно движущихся масс и силы давления газов на поршни, при соблюдении условия уравновешенности двигателя, была решена в изобретениях автора (патент Украины UA56277, патент России RU2191906, (Рисунок 1В) Европейский патент EP1296037 и патент Украины UA61980), (Рисунок 1Г).

    В предлагаемом техническом решении снижены нагрузки на кривошипно-шатунный механизм и опоры двигателя и улучшены показатели по надежности и моторесурсу.

    В изобретении (патент UA56277) (Рисунок 1В) два шатуна 9, 10 во втором цилиндре 13 соединены с концами поршневого пальца 11 выведенными в полости 12, образованные наружной поверхностью тронка поршня и внутренней поверхностью цилиндра, это позволило уменьшить требуемый диаметр поршня и соответственно снизить его массу и площадь. В изобретении (патент UA61980) (Рисунок 1Г) использован крейцкопфный механизм, что позволило исключить зависимость размеров кривошипно-шатунного механизма от диаметра цилиндра и обеспечить его прочность.


    Рисунок 2. Варианты конструктивного решения КШМ
    В предлагаемых схемах КШМ обеспечивается полное уравновешивание всех сил и моментов инерции, их замыкание в пределах КВ. При этом сокращается  длина двигателя вследствие совпадения осей рабочих цилиндров.

    В случае использования двухтактного цикла, кроме того обеспечивается уравновешивание сил от давления газов и их замыкание в пределах КВ.

    Однако предлагаемой схеме КШМ присущи и некоторые недостатки. Усложняется конструкция КШМ, так как используются три шатуна двух типов. Наличие трех кривошипов затрудняет установку промежуточных коренных опор между соседними цилиндрами  на цапфах КВ. При использовании схемы с опорами только на цапфах крайних щек (показан на рисунке 2 слева) значительно увеличиваются изгибающие моменты, действующие на КВ, особенно при использовании четырехтактного цикла с воспламенением топлива от сжатия.

    Последний недостаток преодолевается при установке коренных опор на щеках КВ (показан на рисунке 2 справа).

    Примеры разрабатываемых двигателей

    С целью определения достижимых технических показателей двигателя, созданного с использованием патентов EP1296037 и UA61980 был выполнен эскизный проект двухцилиндрового дизеля с размерностью S/D = 270/260. Его параметры представлены в таблице 1.

    Таблица 1. - Параметры двухцилиндрового дизеля с S/D=270/260 и с КШМ по патентам EP1296037 и UA61980.
    Наименование параметра


    Максимальная мощностькВт367
    Максимальный крутящий моментН*м3504
    Максимальная частота вращения КВоб/мин2100
    Диаметр цилиндрамм260
    Ход поршнямм270
    Рабочий объём цилиндровсм328.660
    Степень сжатия
    12.5:1
    Число и расположение цилиндров
    2.
    оппозитное
    Габариты:
    Длина
    Ширина
    Высота

    мм
    мм
    мм

    1132
    3125
    940
    Сухой вес в стандартной комплектациикг2955
    Удельный вес кг/кВт8.03



    Рисунок 3.
    - Общий вид дизеля с S/D = 270/260.


    Особенностью конструкции разработанного двигателя:
    крейцкопфный кривошипно-шатунный механизм, выполненный в соответствии с патентами EP1296037 и UA61980, коленчатый вал с двумя опорами, сдвинутый вправо от оси симметрии распределительный вал.

    Достижение целей проекта.

    Если сравнивать дизель с предлагаемой конструкцией КШМ и двухцилиндровый дизель этой же размерности, например дизель 7Д80А производства ЗТМ им. Малышева, то использование изобретения позволило снизить массу двигателя на 30% и габаритов на 40% по сравнению с двигателем традиционной конструкции. При этом уровень унификации деталей с существующим двигателем составил более 65%. При отказе от высокой степени унификации, возможно дальнейшее снижение массы и габаритов двигателя ещё на 40-45%.

    Применительно к автомобилям, была выполнена эскизная проработка дизельного двигателя с  полноопорным коленчатым валом. За основу были взяты диаметр, ход поршня и цилиндровая мощность современного дизеля Cummins N14 PLUS 525E.



    Таблица 2. - Параметры двухцилиндрового дизеля
    с S/D=152/140 и с КШМ по патентам EP1296037 и UA61980
    Наименование параметра


    Максимальная мощностькВт131
    Максимальный крутящий моментН*м836
    Максимальная частота вращения КВоб/мин2100
    Диаметр цилиндрамм140
    Ход поршнямм152
    Рабочий объём цилиндровсм34660
    Степень сжатия
    16.5:1
    Число и расположение цилиндров
    2.
    оппозитное
    Габариты:
    Длина
    Ширина
    Высота

    мм
    мм
    мм

    350
    1540
    400
    Сухой вес в стандартной комплектации:
    при чугунном картере
    при алюминиевом картере

    кг
    кг


    220
    188
    Удельная масса
    (алюминиевый картер)
    кг/кВт1.44

    Рисунок 4. Общий вид дизеля с S/D = 152/140.

    Разрабатываемый дизель по показателям массы и габаритов не уступает одним из лучших современных дизелей - VR 630 DONC и VR 640 OHV производства фирмы DaimlerChrysler Company.

    Таблица 3. Сравнение показателей двухцилиндрового дизеля по патенту 
    и современных автотракторных дизелей производства США


    Nen
    D/Sz VhМРазмерыМ/NeVуст/NeМ/VhVц/Vуст

    kWОб/минмм
    лкгмм
    кг/kWМ3/ kWкг/ л%
    Cummins
    N14 PLUS 525E
    3922100140/152L614.01272-
    -
    -
    3.24-90.8
    Detroit Diesel
    Series 60
    4662300130/160L612.718392039
    0995
    1154
    3.950.00501450.54
    DaimlerChrysler
    VR 630 DOHC
    140400083/92V63.0240525
    680
    705
    1.710.0018801.19
    DaimlerChrysler
    VR640 OHV
    157380092/101V64.0292558
    635
    762
    1.860.00171731.48
    Дизель
    ДК2
    1312100140/152О24,7220350
    1540
    400
    1,680,001647,22,16

    Принятые обозначения:

    Ne – мощность двигателя
    n - частота вращения коленчатого вала двигателя при максимальной мощности
    D – диаметр цилиндра двигателя
    S – ход поршня
    z – число цилиндров
    L - рядное расположение цилиндров
    V - V образное расположение цилиндров
    O - оппозитное расположение цилиндров
    Vh – рабочий объём цилиндров двигатель
    М – масса двигателя
       
    Удельные показатели

    М/Ne – отношение массы двигателя к его мощности
    Vуст/Ne – отношение объёма двигательной установки к её мощности
    М/Vh – отношение массы двигателя к его мощности
    Vц/Vуст – отношение рабочего объёма цилиндров двигателя к объёму, занимаемому двигательной установкой



    В случае авиационного варианта предлагаемой конструкции дизеля (алюминиевый картер, отсутствует маховик) удельная масса будет составлять менее 0.9 кг/л.с. Данный двигатель пригоден для использования в АОН. При использовании двухтактного цикла можно поднять мощность примерно в 1.6 раза и снизить удельную массу до 0.6 кг/л.с.

    Заключение

    Оппозитные схемы кривошипно-шатунных механизмов при создании современных двигателей для наземного транспорта используются редко. В то же время последовательное использование присущих им преимуществ (хорошей уравновешенности, высокой весовой отдачи, малой высоты и длины и др.) позволяют создавать высокоэффективные двигатели самого широкого назначения (легковых автомобилей, грузовиков, тракторов, летательных аппаратов и.т.п.). Таким образом при минимальных затратах можно решить проблему обеспечения современными силовыми установками как существующих так и перспективных видов транспорта.

    Достоинства оппозитных двигателей более всего проявляются при использовании предложенных автором схем КШМ и двухтактных рабочих процессов, в том числе процессов с продолженным расширением. При этом уравновешиваются и замыкаются на коленчатом вале не только силы инерции первого и высших порядков, но и газовые силы. Это позволяет упростить конструкцию и облегчить двигатель.

    ЛИТЕРАТУРА:

    [1] С.Г. Драгомиров, М.С. Драгомиров. Основные тенденции развития двигателей легковых автомобилей за период 1996-2003 годов. Сб. «Фундаментальные и прикладные проблемы совершенствования поршневых двигателей», Владимир, 2003.-С.124 (http://www.vpti.vladimir.ru)

    [2] Статья «Поршневые авиационные моторы» http://www.aviaport.ru/themeofweek/2002/43

    [3] Официальные сайты фирм «Textron Lycoming» (http://www.lycoming.textron.com); «Teledyne Continental Motors» (http://www.tcmlink.com); «Jabiru Aircraft Pty» (http://www.jabiru.net.au); «HKS AVIATION CO» (http://www.hks-power.co.jp/hks_aviation).

    [4] А. Шувалов. Новое поколение легких самолётов, предпосылки создания и характеристики. «Авиация общего назначения». №1,2003.-С.38 (http://www.aviajournal/com)

    [5] Технические описания двигателей фирм Detroit Diesel     (http://www.detroitdiesel.com) и GM Powertrain  (http://www.gm.com)

    [6] В. Арасланов. Новинки AERO’2003. «Авиация общего назначения» №4,2003.–С.5 (http://www.aviajournal/com)

    Категория: Двигатели внутреннего сгорания | Добавил: masterkraya (09.07.2009)
    Просмотров: 5813 | Рейтинг: 5.0/1 |
    Всего комментариев: 0
    Кирилюк © 2017