УДК 621.863.2

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.

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.

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.

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.