Latem 2017 roku w środowisku naukowo-technicznym rozeszła się wieść – młody naukowiec z Jekaterynburga wygrał ogólnorosyjski konkurs na innowacyjne projekty w dziedzinie energetyki. Konkurs nazywa się „Przełomowa energia”, w którym mogą brać udział naukowcy w wieku nie starszym niż 45 lat, a Leonid Płotnikow, profesor nadzwyczajny Uralskiego Uniwersytetu Federalnego imienia pierwszego Prezydenta Rosji B.N. Jelcyn” (Uralski Uniwersytet Federalny), zdobył nagrodę w wysokości 1 000 000 rubli.
Poinformowano, że Leonid opracował cztery oryginalne rozwiązania techniczne i otrzymał siedem patentów na układy dolotowe i wydechowe silników spalinowych, zarówno turbodoładowanych, jak i wolnossących. W szczególności modyfikacja układu dolotowego silnika turbo „według metody Płotnikowa” może wyeliminować przegrzanie, zmniejszyć hałas i ilość szkodliwe emisje. I modernizacja system wydechowy turbodoładowany silnik spalinowy zwiększa wydajność o 2% i zmniejsza jednostkowe zużycie paliwa o 1,5%. W rezultacie silnik staje się bardziej przyjazny dla środowiska, stabilny, mocny i niezawodny.
Czy to naprawdę prawda? Jaka jest istota propozycji naukowca? Udało nam się porozmawiać ze zwycięzcą konkursu i dowiedzieć się wszystkiego. Ze wszystkich oryginalnych rozwiązań technicznych opracowanych przez Płotnikowa zdecydowaliśmy się na dwa wymienione powyżej: zmodyfikowane układy dolotowe i wydechowe dla silników z turbodoładowaniem. Styl prezentacji może początkowo wydawać się trudny do zrozumienia, ale przeczytaj uważnie, a na koniec przejdziemy do sedna.
Problemy i wyzwania
Autorstwo opisanych poniżej osiągnięć należy do grupy naukowców UrFU, w skład której wchodzą doktor nauk technicznych, profesor Yu.M. Brodov, doktor nauk fizycznych i matematycznych, profesor B.P. Zhilkin. i kandydat nauk technicznych, profesor nadzwyczajny L.V. Plotnikov. Praca tej konkretnej grupy została nagrodzona grantem w wysokości miliona rubli. W opracowaniu inżynierskim proponowanych rozwiązań technicznych pomagali im specjaliści z Ural Diesel Engine Plant LLC, a mianowicie kierownik wydziału, kandydat nauk technicznych Shestakov D.S. i zastępca głównego projektanta, kandydat nauk technicznych Grigoriev N.I.
Jednym z kluczowych parametrów ich badań był przepływ ciepła od strumienia gazu do ścianek rurociągu wlotowego lub wylotowego. Im niższy transfer ciepła, tym niższe naprężenia termiczne, tym wyższa niezawodność i wydajność systemu jako całości. Do oszacowania intensywności wymiany ciepła wykorzystuje się parametr zwany lokalnym współczynnikiem przenikania ciepła (oznaczony jako αx), a zadaniem badaczy było znalezienie sposobów na zmniejszenie tego współczynnika.
Ryż. 1. Zmiana lokalnego (lх = 150 mm) współczynnika przenikania ciepła αх (1) i prędkości przepływu powietrza wх (2) w czasie τ za wolną sprężarką turbosprężarki (zwanej dalej TC) o gładkim okrągłym rurociągu oraz różne częstotliwości obroty wirnika TC: a) ntk = 35 000 min-1; b) ntk = 46 000 min-1
Problem współczesnej budowy silników jest poważny, ponieważ kanały gazowo-powietrzne znajdują się na liście najbardziej obciążonych termicznie elementów nowoczesnych silników spalinowych, a zadanie ograniczenia wymiany ciepła w przewodach dolotowych i wydechowych jest szczególnie dotkliwe w przypadku silników z turbodoładowaniem . Rzeczywiście, w silnikach turbo, w porównaniu z silnikami wolnossącymi, wzrasta ciśnienie i temperatura na wlocie, wzrasta średnia temperatura obiegu, a pulsacja gazu jest większa, co powoduje naprężenia termomechaniczne. Naprężenia termiczne prowadzą do zmęczenia części, zmniejszają niezawodność i żywotność elementów silnika, a także prowadzą do nieoptymalnych warunków spalania paliwa w cylindrach i spadku mocy.
Naukowcy uważają, że można zmniejszyć naprężenia termiczne silnika turbodoładowanego i tutaj, jak mówią, istnieje niuans. Zwykle za ważne uważa się dwie cechy turbosprężarki – ciśnienie doładowania i przepływ powietrza, a sama jednostka jest traktowana jako element statyczny w obliczeniach. Ale w rzeczywistości naukowcy zauważają, że po zainstalowaniu turbosprężarki termomechaniczne właściwości przepływu gazu znacznie się zmieniają. Dlatego przed zbadaniem, jak zmienia się αx na wlocie i wylocie, konieczne jest zbadanie samego przepływu gazu przez sprężarkę. Najpierw - bez uwzględnienia części tłokowej silnika (jak mówią, za wolną sprężarką, patrz ryc. 1), a następnie - razem z nią.
Opracowano i stworzono zautomatyzowany system gromadzenia i przetwarzania danych eksperymentalnych - z pary czujników pobrano i przetworzono wartości natężenia przepływu gazu wx oraz lokalnego współczynnika przenikania ciepła αx. Ponadto zmontowano jednocylindrowy model silnika oparty na silniku VAZ-11113 z turbosprężarką TKR-6.
Ryż. 2. Zależność lokalnego (lх = 150 mm) współczynnika przenikania ciepła αх od kąta obrotu wału korbowego φ w rurociągu dolotowym tłokowego silnika spalinowego doładowanego przy różnych prędkościach obrotowych wału korbowego i różnych prędkościach obrotowych wirnika TC: a) n = 1500 min- 1; b) n = 3000 min-1, 1 - n = 35 000 min-1; 2 - ntk = 42 000 min-1; 3 - ntk = 46 000 min-1
Badania wykazały, że turbosprężarka jest silnym źródłem turbulencji, które wpływają na właściwości termomechaniczne przepływu powietrza (patrz rys. 2). Dodatkowo naukowcy odkryli, że sama instalacja turbosprężarki zwiększa αx na wlocie silnika o około 30% – częściowo ze względu na fakt, że powietrze za sprężarką jest po prostu znacznie cieplejsze niż na wlocie silnika wolnossącego. Zmierzono także wymianę ciepła na wylocie silnika z zainstalowaną turbosprężarką i okazało się, że im wyższe jest nadciśnienie, tym mniej intensywne jest przekazywanie ciepła.
Ryż. 3. Schemat układu dolotowego silnika doładowanego z możliwością odprowadzenia części wymuszonego powietrza: 1 - kolektor dolotowy; 2 - rura łącząca; 3 - elementy łączące; 4 - sprężarka TK; 5 - elektroniczna jednostka sterująca silnikiem; 6 - zawór elektropneumatyczny].
Podsumowując, okazuje się, że w celu zmniejszenia naprężenia termicznego konieczne jest: w przewodzie dolotowym zmniejszenie turbulencji i pulsacji powietrza, a na wylocie wytworzenie dodatkowego ciśnienia lub podciśnienia, przyspieszającego przepływ - zmniejszy to przenikanie ciepła, a dodatkowo będzie miało pozytywny wpływ na oczyszczenie cylindrów ze spalin.
Wszystkie te pozornie oczywiste rzeczy wymagały szczegółowych pomiarów i analiz, których nikt wcześniej nie robił. To właśnie uzyskane liczby umożliwiły opracowanie środków, które w przyszłości będą w stanie, jeśli nie dokonać rewolucji, to z pewnością tchnąć, w dosłownym tego słowa znaczeniu, nowe życie w cały przemysł budowy silników.
Ryż. 4. Zależność lokalnego (lх = 150 mm) współczynnika przenikania ciepła αх od kąta obrotu wału korbowego φ w rurze dolotowej tłokowego silnika spalinowego doładowanego (ntk = 35 000 min-1) przy prędkości obrotowej wału korbowego n = 3 000 min- 1. Udział wypływu powietrza: 1 - G1 = 0,04; 2 - G2 = 0,07; 3 - G3 = 0,12].
Usuwanie nadmiaru powietrza z wlotu
Po pierwsze, badacze zaproponowali projekt stabilizacji przepływu powietrza wlotowego (patrz rysunek 3). Zawór elektropneumatyczny wbudowany w przewód dolotowy za turbiną i uwalniający w określonych momentach część powietrza sprężonego przez turbosprężarkę stabilizuje przepływ - zmniejsza pulsację prędkości i ciśnienia. W rezultacie powinno to doprowadzić do zmniejszenia hałasu aerodynamicznego i naprężeń termicznych w układzie dolotowym.
Ale ile trzeba zresetować, aby układ działał skutecznie, nie osłabiając znacząco efektu turbodoładowania? Na rysunkach 4 i 5 widzimy wyniki pomiarów: jak pokazują badania, optymalny udział powietrza wylotowego G mieści się w przedziale od 7 do 12% – takie wartości zmniejszają wymianę ciepła (a co za tym idzie obciążenie cieplne) w silniku w układzie dolotowym do 30%, czyli doprowadzić go do wartości charakterystycznych dla silników wolnossących. Nie ma sensu dalej zwiększać udziału wyładowań – nie daje to już żadnego efektu.
Ryż. 5. Porównanie zależności lokalnego (lх = 150 mm, d = 30 mm) współczynnika przenikania ciepła αх od kąta obrotu wału korbowego φ w kolektorze dolotowym tłokowego silnika spalinowego doładowanego bez odpowietrzenia (1) i z częścią odpowietrzającą powietrza (2) przy ntk = 35 000 min-1 i n = 3 000 min-1, udział nadmiaru odprowadzanego powietrza wynosi 12% całkowitego przepływu].
Wyrzut na wydechu
A co z układem wydechowym? Jak powiedzieliśmy wyżej, w silniku z turbodoładowaniem pracuje on także w podwyższonych temperaturach, a dodatkowo zawsze chcemy, aby wydech jak najbardziej sprzyjał maksymalnemu oczyszczeniu cylindrów ze spalin. Tradycyjne metody rozwiązywania tych problemów zostały już wyczerpane, czy są jeszcze jakieś rezerwy do poprawy? Okazuje się, że istnieje.
Brodov, Zhilkin i Plotnikov twierdzą, że oczyszczanie gazów i niezawodność układu wydechowego można poprawić poprzez wytworzenie w nim dodatkowego podciśnienia, czyli wyrzutu. Strumień wyrzutowy, zdaniem twórców, podobnie jak zawór dolotowy, zmniejsza pulsację przepływu i zwiększa objętościowy przepływ powietrza, co przyczynia się do lepszego oczyszczenia cylindrów i zwiększenia mocy silnika.
Ryż. 6. Schemat układu wydechowego z wyrzutnikiem: 1 – głowica cylindrów z kanałem; 2 – rurociąg wydechowy; 3 – rura wydechowa; 4 – rura wyrzutowa; 5 – zawór elektropneumatyczny; 6 – elektroniczna jednostka sterująca].
Wyrzut pozytywnie wpływa na przekazywanie ciepła ze spalin do części układu wydechowego (patrz rys. 7): przy takim układzie maksymalne wartości lokalnego współczynnika przenikania ciepła αx są o 20% niższe niż przy tradycyjny wydech - z wyjątkiem okresu zamknięcia zaworu dolotowego, tutaj intensywność wymiany ciepła jest wręcz przeciwnie, nieco większa. Ale ogólnie rzecz biorąc, przenikanie ciepła jest nadal mniejsze, a naukowcy przyjęli założenie, że wyrzutnik na wydechu silnika turbodoładowanego zwiększy jego niezawodność, ponieważ zmniejszy przenoszenie ciepła z gazów do ścianek rurociągu i samych gazów będzie chłodzony powietrzem wyrzutowym.
Ryż. 7. Zależności lokalnego (lх = 140 mm) współczynnika przenikania ciepła αх od kąta obrotu wału korbowego φ w układzie wydechowym przy nadmierne ciśnienie zwolnienie pb = 0,2 MPa i prędkość obrotowa wału korbowego n = 1500 min-1. Konfiguracja układu wydechowego: 1 - bez wyrzutu; 2 - z wyrzutem.]
A co jeśli połączymy?..
Otrzymawszy takie wnioski na instalacji doświadczalnej, naukowcy poszli dalej i zastosowali zdobytą wiedzę do rzeczywistego silnika – jako jeden z „obiektów testowych” wybrano silnik wysokoprężny 8DM-21LM produkcji Ural Diesel Engine Plant LLC. wykorzystywane jako elektrownie stacjonarne. Ponadto w pracy wykorzystano także „młodszego brata” 8-cylindrowego silnika wysokoprężnego 6DM-21LM, również w kształcie litery V, ale z sześcioma cylindrami.
Ryż. 8. Instalacja zawór elektromagnetyczny do odpowietrzenia silnika wysokoprężnego 8DM-21LM: 1 - elektrozawór; 2 - rura wlotowa; 3 - obudowa kolektora wydechowego; 4 - turbosprężarka.
W silniku „junior” zaimplementowano układ wyrzutu spalin, logicznie i bardzo pomysłowo połączony z układem redukcji ciśnienia dolotowego, któremu przyjrzeliśmy się nieco wcześniej – w końcu, jak pokazano na rysunku 3, powietrze wylotowe można wykorzystać do potrzeby silnika. Jak widać (rys. 9) nad kolektorem wydechowym ułożone są rurki, do których doprowadzane jest powietrze pobrane z dolotu - jest to to samo nadciśnienie, które tworzy turbulencje za sprężarką. Powietrze z rurek „rozprowadzane” jest poprzez system zaworów elektrycznych, które znajdują się bezpośrednio za oknem wydechowym każdego z sześciu cylindrów.
Ryż. 9. Formularz ogólny zmodernizowany układ wydechowy silnika 6DM-21LM: 1 – rurociąg wydechowy; 2 – turbosprężarka; 3 – rura wylotowa gazu; 4 – system wyrzutowy.
Takie urządzenie wyrzutowe wytwarza w kolektorze wydechowym dodatkowe podciśnienie, co prowadzi do wyrównania przepływu gazów i osłabienia procesów przejściowych w tzw. warstwie przejściowej. Autorzy pracy zmierzyli prędkość przepływu powietrza wх w zależności od kąta obrotu wału korbowego φ z wyrzutem spalin i bez.
Z rysunku 10 widać, że podczas wyrzutu maksymalna prędkość przepływu jest większa, a po zamknięciu zaworu wydechowego spada wolniej niż w kolektorze bez takiego układu – uzyskuje się swego rodzaju „efekt przedmuchu”. Autorzy podają, że wyniki wskazują na stabilizację przepływu i lepsze oczyszczenie cylindrów silnika ze spalin.
Ryż. 10. Zależności lokalnej (lx = 140 mm, d = 30 mm) prędkości przepływu gazu wх w rurociągu wydechowym z wyrzutem (1) i rurociągu tradycyjnym (2) od kąta obrotu wału korbowego φ przy prędkości obrotowej wału korbowego n = 3000 min- 1 i początkowe nadciśnienie pb = 2,0 bar.
Jaki jest wynik?
A więc uporządkujmy to. Po pierwsze, jeśli z kolektora dolotowego silnika z turbodoładowaniem zrzuci się niewielką część powietrza sprężonego przez sprężarkę, można zmniejszyć przenikanie ciepła z powietrza do ścianek kolektora nawet o 30%, zachowując przy tym przepływ masy powietrze dostające się do silnika normalny poziom. Po drugie, jeśli zastosujemy wyrzut na wydechu, to również można znacznie zmniejszyć przenoszenie ciepła w kolektorze wydechowym - wykonane pomiary dają wartość około 15% - a także poprawić oczyszczanie gazów w cylindrach.
Łącząc przedstawione ustalenia naukowe dotyczące układu dolotowego i wydechowego ujednolicony system uzyskamy kompleksowy efekt: pobierając część powietrza z dolotu, przekazując je do wydechu i precyzyjnie synchronizując te impulsy w czasie, system wyrówna i „uspokoi” przepływ powietrza i spalin. W rezultacie powinniśmy otrzymać silnik mniej obciążony termicznie, bardziej niezawodny i wydajny w porównaniu do konwencjonalnego silnika turbo.
Tak więc wyniki uzyskano w warunki laboratoryjne, potwierdzone modelowaniem matematycznym i obliczeniami analitycznymi, po czym stworzono prototyp, na którym przeprowadzono badania i potwierdzono pozytywne efekty. Do tej pory to wszystko było realizowane w murach UrFU na dużym stacjonarnym silniku turbodiesel (silniki tego typu stosowane są także w lokomotywach spalinowych i statkach), jednak założenia zawarte w projekcie mogłyby zakorzenić się także w mniejszych silnikach – wyobraź sobie na przykład Gazelę GAZ, Patriot UAZ lub ŁADA Westa zdobądź nowy silnik z turbodoładowaniem, a nawet o lepszych parametrach niż ich zagraniczne odpowiedniki... Czy to możliwe nowy trend w budowie silników rozpoczęła się w Rosji?
Naukowcy z UrFU mają także rozwiązania pozwalające na zmniejszenie obciążenia cieplnego silników atmosferycznych, a jednym z nich jest profilowanie kanałów: poprzeczne (poprzez wprowadzenie wkładki o przekroju kwadratowym lub trójkątnym) i podłużne. W zasadzie, korzystając ze wszystkich tych rozwiązań, można obecnie zbudować działające prototypy, przeprowadzić testy i, jeśli wynik będzie pozytywny, uruchomić masową produkcję - podane kierunki projektowania i budowy, zdaniem naukowców, nie wymagają znacznych nakładów finansowych i czasowych . Teraz powinni być zainteresowani producenci.
Leonid Płotnikow mówi, że uważa się przede wszystkim za naukowca i nie stawia sobie za cel komercjalizacji nowych osiągnięć.
Wśród celów wymieniłbym raczej dalsze badania, uzyskanie nowych wyników naukowych i opracowanie oryginalnych projektów układów gazowo-powietrznych do tłokowych silników spalinowych. Jeśli moje wyniki przydadzą się przemysłowi, będę szczęśliwy. Z doświadczenia wiem, że wdrażanie wyników jest procesem bardzo złożonym i pracochłonnym, a jeśli się w nim zanurzysz, nie pozostanie już czasu na naukę i dydaktykę. A ja bardziej skłaniam się w stronę edukacji i nauki, a nie przemysłu i biznesuProfesor nadzwyczajny na Uralskim Uniwersytecie Federalnym imienia pierwszego prezydenta Rosji B.N. Jelcyn” (Uralski Uniwersytet Federalny)
Dodaje jednak, że proces wdrażania wyników badań na maszynach energetycznych PJSC „Uralmashzavod” już się rozpoczął. Tempo realizacji jest jeszcze niskie, wszystkie prace są w początkowej fazie, konkretów jest bardzo mało, ale przedsiębiorstwo jest zainteresowane. Możemy mieć tylko nadzieję, że jeszcze zobaczymy rezultaty tego wdrożenia. A także, że praca naukowców znajdzie zastosowanie w krajowym przemyśle motoryzacyjnym.
Jak oceniasz wyniki badania?
Historia rozwoju beztłoczyskowych silników tłokowych zaproponowanych przez S. Balandina sięga lat trzydziestych i czterdziestych ubiegłego wieku, kiedy to w biurze projektowym, w którym pracował autor, powstało kilka typów silników lotniczych o nietypowym mechanizmie napędowym, różniącym się od opracowano i zbudowano korbowód.
Ryż. 1
Ryż. 2
Podstawą do rozpoczęcia projektowania silnika był znany schemat kinematyczny odwróconego elipsografu (rys. 1), którego trajektorię punktów opisuje równanie elipsy:
Gdzie R jest promieniem okręgu początkowego, oraz D- współrzędna dowolnego punktu M.
Wszystkie punkty leżące na prostej A B opisują elipsy, punkt C opisuje okrąg (jako szczególny przypadek elipsy), natomiast punkty A i B leżące na powierzchni D wykonują ruch posuwisto-zwrotny w promieniu 4r. Łuk koła D toczy się bez poślizgu po łuku E o dwukrotnie większej średnicy. Wiążąc trawersy z tłoczyskami i tłokami do punktów leżących dowolnie na powierzchni D (np. do punktów A i B), a wał wyjściowy do punktu C, uzyskujemy mechanizm bezkorbowy, posiadający jedno redundantne połączenie kinematyczne. Te. aby zapewnić prostoliniowość torów punktów A i B, połączonych ze sobą oraz z punktem C korby OS łącznikiem sztywnym ASV, wystarczy zastosować prowadnice tylko w jednym punkcie A lub B (rys. 2). Ale taki schemat jest niedopuszczalny ze względu na warunki rozkładu sił działających w mechanizmie. Jeśli prowadnicę zamontujesz tylko w punkcie A, to gdy kąt φ zbliża się do 90° i 270°, składowymi przyłożonymi do punktu A siły P są siła boczna N = P tg φ i siła S = P/cos φ skierowane wzdłuż osi prądu przemiennego - rosną w nieskończoność, dążąc do nieskończoności. Dlatego wprowadzenie drugiej prowadnicy do schematu kinematycznego spełnia warunki sprawności mechanizmu.
Powyższe uzasadnienie należy do samego S. Balandina i ostatecznie zdeterminowało całą ewolucję rozwoju silników beztłoczyskowych pierwszej generacji. Wszystkie skonstruowane próbki (w tym także autorskie) opierały się na schemacie z jednym redundantnym połączeniem kinematycznym.
Mechanizm napędowy silnika beztłoczyskowego zaproponowany przez S. Balandina zdawał się szybko wypierać silniki o układzie klasycznym, a przedsiębiorstwa budowy maszyn, korzystając z osiągnięć przemysłu lotniczego, byłyby w stanie bez problemów wprowadzić go do masowej produkcji. Do tego czasu lotnictwo mocno opanowało turbiny gazowe, a silniki tłokowe przestały go interesować.
Tu okazało się, że w przypadku ogólnej budowy maszyn technologie, którymi dysponuje przemysł lotniczy, dostarczane są po zbyt wysokiej cenie. Pojawiło się pytanie o zmianę konstrukcji silnika, aby dopasować ją do istniejących możliwości istniejących przedsiębiorstw. Pomimo pozornej prostoty mechanizm zawierał nierozwinięte połączenia kinematyczne, a w zastosowaniu do silników cieplnych były one słabo zbadane i dlatego słabo przewidywano ich możliwości. Już jedno nadmiarowe połączenie kinematyczne w tak złożonym mechanizmie, jakim jest silnik spalinowy, stawia pod znakiem zapytania całą jego dalszą wydajność. Co więcej, nie było zrozumienia, jak pozbyć się tego połączenia, omawiany mechanizm synchronizujący był integralną częścią samego silnika. Dziś, sześćdziesiąt lat po pojawieniu się pierwszego silnika beztłoczyskowego, możemy śmiało powiedzieć (lepiej późno niż wcale), że problem ten został całkowicie rozwiązany.
Ryż. 3
1,2,3,4 - tłoki; 5,6 - łożyska prętowe; Wał wspornikowy 7,8; 9,10,11,12 - koła zębate mechanizmu synchronizującego; 13- wał korbowy; A, B, C, D - podpory ruchome.
Rysunek 3 przedstawia typowy schemat kinematyczny beztłoczyskowego silnika S. Balandina. Wyraźnie widać, że tylko jeden planetarny wał obrotowy zastępuje wszystkie korbowody w mechanizmie napędowym. Wał jest zainstalowany pomiędzy dwoma wspornikami obrotowymi wspornikowymi, które z kolei są połączone ze sobą za pomocą mechanizmu przekładniowego. Jest to uniwersalny mechanizm łączenia tłoków, zaproponowany przez S. Balandina i zapewniający w budowanych próbkach: małe wymiary i wagę, duże obroty, racjonalny dwukierunkowy proces pracy w cylindrach, skuteczny układ chłodzenia tłoków i wreszcie , wysoka sprawność mechaniczna, której wartość w niektórych trybach pracy silnika sięgała 94% (w konwencjonalnych silnikach spalinowych około 85%).
Wraz z opublikowaniem w latach 1968 i 1972 książki S. Balandina „Connecting Rod-less ICEs” liczne zespoły inżynierów i liczne fabryki (np. Dagdizel, SKB „Sickle and Hammer” itp.) rozpoczęły próby budowy silnik, kopiując go w jego oryginalnej lub nawet ulepszonej wersji. Proces projektowania i wytwarzania prowadzono z reguły w oparciu o obliczenia i metody zaproponowane przez autora. Wbrew oczekiwaniom, w większości budowanych próbek, już przy pierwszych obrotach wału, mechanizm napędowy zacinał się w obudowie silnika na skutek ocierania się tłoków o powierzchnię cylindra. Ci, którym udało się zaprojektować i zbudować działający silnik, stwierdzili, że podlega on intensywnemu zużyciu i odpryskom prowadnic poprzeczki (pittingowi). Wszelkie próby zwalczania tego zjawiska zakończyły się niepowodzeniem. Trwałość mechanizmu napędowego została określona na podstawie kilku godzin pracy.
Ciągłe awarie ukształtowały negatywny stosunek środowiska naukowego i projektowego do samej idei stworzenia tego typu silnika łączącego beztłoczyskowego. Okazało się, że nikt poza samym S. Balandinem nie był w stanie zbudować działającej konstrukcji. Według samego autora co czwarty silnik, który wyszedł kiedyś z jego biura projektowego, uległ awarii z powodu powyższych problemów.
Patrząc wstecz na klasyczny mechanizm korbowy konwencjonalnego silnika (bagażnika), zauważamy, że pomimo wszystkich swoich wad ma on wysoka niezawodność. O jego długoterminowej wydajności decyduje fakt, że każda pojedyncza część tego silnika podlega symetrycznemu obciążeniu. Ułatwia to również sztywne mocowanie wału korbowego w wspornikach łożyskowych umieszczonych po obu stronach korbowodów. Tego samego nie można powiedzieć o silniku S. Balandina (rys. 3), w którym każdy tłok (1-4) poprzez czop korbowodu (5,6) opiera się jednostronnie o ślizgową poprzeczkę (A, B lub C, D), a drugą stroną na wale wspornikowym (7.8) podlegającą zginaniu. Odpowiednio 50% obciążenia od sił gazowych spada na wspornik poprzeczki (pod nim znajduje się rama silnika), a pozostałe 50% jest odbierane przez „element elastyczny” - jaki to rodzaj niezawodności?
W silnikach o dużej wytrzymałości S. Balandina problem ten został częściowo rozwiązany poprzez umieszczenie czopów końcowych wału planetarnego w łożyskach o dużej średnicy, przy czym prędkości obwodowe współpracujących zewnętrznych powierzchni łożysk uległy potrojeniu.
Kolejnym nierozwiązanym problemem był układ doprowadzania oleju do powierzchni trących łożysk korbowodu silnika. Jeżeli więc łożyska końcowe wsporników wspornikowych A i D pracują w warunkach hydrodynamicznego smarowania cieczą, to nie jest możliwe stworzenie podobnych warunków pracy dla poprzeczek B i C, które podczas jednego obrotu wału zatrzymują się dwukrotnie; takie łożyska mogą pracować tylko jako podpory hydrostatyczne, tj. podlegają zupełnie innej teorii smarowania, która nie tworzy hydrodynamicznego klina olejowego pomiędzy współpracującymi płaszczyznami i wymaga monitorowania stale zmieniających się warunków utrzymania poprzeczki nad powierzchniami nośnymi. Powyższe wyjaśnia jedynie, że do smarowania jednej części stosuje się zasadniczo różne systemy smarowania. Co nie jest dobre. A jeśli tej przeszkody nie da się pokonać, to konieczne jest wykonanie łożysk należących do wspólnego wału i spełniających te same funkcje przynajmniej tego samego typu.
Głównym powodem, dla którego zastosowanie rozważanego schematu kinematycznego nie zostało w praktyce wdrożone, jest to, że jest on bardziej złożony niż konwencjonalny mechanizm korbowy. Oprócz głównych elementów w mechanizmie napędowym zastosowano dodatkowe wały synchronizujące połączone z wałem głównym za pomocą kół zębatych. Duża ilość współpracujących elementów wymaga wysokiego poziomu technologicznego ich wykonania. Połączone szeregowo koła zębate mechanizmu synchronizującego (9-12) tworzą długi łańcuch wymiarowy. Wartość jego całkowitej tolerancji musi być mniejsza niż wartość luzu średnicowego jednego z zewnętrznych łożysk wału planetarnego, w przeciwnym razie niemożliwe jest zapewnienie synchronicznego obrotu prawej i lewej połowy. Dotrzymanie tej tolerancji jest technologicznie trudne (było to omawiane na początku artykułu).
Kolejny rozdział poświęcony jest mechanizmom napędowym nowej generacji, w których „mechanizm synchronizujący” zastąpiono „czopami synchronizującymi”, co pozwala w silniku bezkorbowym zrezygnować z nadmiernego połączenia kinematycznego, co właściwie położyło kres temu kierunkowi .
Ryż. 4
P - siła ciśnienia gazu; N - siła boczna; S jest siłą skierowaną wzdłuż osi ASV; 1,2,3,4 - tłok; 5,6 - poprzeczka robocza; 7,8 - poprzeczka synchronizująca; I, II - szyjka synchronizująca; α jest odległością między środkami sąsiednich czopów wału korbowego; A, B, A, B” – podpory.
Jak widać z rys. 4, obwód nie zawiera już znanego mechanizmu synchronizacji; zamiast tego obracający się planetarny wał korbowy ma teraz własne łożyska planetarne, które mogą wykonywać te same funkcje, co konwencjonalne łożyska wałów obrotowych. Umieszczone wzdłuż krawędzi wału są w stanie zapewnić wszystkim jego punktom synchroniczny obrót orbitalny wzdłuż zadanej trajektorii. W tym celu do rozpatrywanego wału planetarnego projektu S. Balandina należy dodać dwa dodatkowe czopy (I i II, patrz rys. 4), przy jednoczesnej rezygnacji z nadmiaru połączenia kinematycznego w punkcie C (punkt wcześniej sztywno połączony z wał wyjściowy) i wyłączenie oraz bez wyrzucania go z obwodu mocy mechanizmu korbowodu. Dwie nowe prowadnice poprzeczne A” i B” są zainstalowane pod dodatkowymi czopami wału, lustrzanie względem A i B. Teraz każdy tłok roboczy otrzymuje dwa identyczne ruchome podpory, umieszczone w równych odległościach od niego po prawej i lewej stronie. Jedna z podpór (A, B) może unieść sąsiadujący tłok roboczy, druga (A, B") zapobiega odkształceniom wału planetarnego i zapewnia jego synchronizację. Takie rozwiązanie pozwala zrezygnować z mechanizmu synchronizacji, składającego się z wału łączącego i zestawu kół zębatych, ponieważ pełną synchronizację wału zapewnia jego własna konstrukcja.
W nowo zmontowanym silniku beztłoczyskowym, planetarny wał obrotowy łączący tłoki, tak jak poprzednio, zawiera czopy robocze połączone z tłoczyskami, które poruszają się zawsze po linii prostej. Na korpusie takiego wału znajdują się osie, które poruszają się po orbicie kołowej (w pierwszym przybliżeniu są to okręgi), dlatego najłatwiej je połączyć z wałem odbioru mocy, np. mechanizmem napędowym. Jeśli do takiego wału dodamy dwa dodatkowe czopy (I, II) zawierające czopy robocze i czopy odbioru mocy (I, II) i nazwiemy je „synchronizującymi”, to każdy czop roboczy w połączeniu z czopem synchronizującym tworzy jedno łożysko planetarne, oraz dwie pary łożysk tworzą wał pełnopodporowy (9) o dwóch stopniach swobody, obrocie wokół własnej osi i jednocześnie o obrocie planetarnym. Wtedy charakter obciążenia wału zawsze staje się symetryczny, a sam wał korbowy ma możliwość samoczynnego wyrównania w podporach. Co więcej, każda podpora planetarna jest skonfigurowana tak, aby nadawać ruch posuwisto-zwrotny sąsiednim czopom podporowym w przecinających się kierunkach. Zapewnia to stabilność wału planetarnego w dowolnym punkcie jego obrotu orbitalnego.
Przykładowo na rys. 4 przedstawiono także wykres działania sił gazów (P) na tłoki silnika oraz charakter obciążenia podpór łożyskowych. Tłoki z tłoczyskami 1 i 3 wykorzystują jako podporę poprzeczkę 6 z tłoków 2 i 4, a poprzeczkę synchronizującą 7. Tłoki 2 i 4 wykorzystują jako podporę poprzeczki 5 i 8, z których poprzeczka 8 jest synchronizowana. W rezultacie w momencie zapłonu mieszanki palnej w którymkolwiek z czterech cylindrów silnika, w równych proporcjach obciążane są poprzeczki 6 i 7 lub 5 i 8 w równych odstępach od tłoka roboczego. Przy takim układzie czopy końcowe wału planetarnego są całkowicie usunięte ze strefy działania sił gazowych i przenoszą jedynie moment obrotowy na wał odbioru mocy, który nie jest objęty obwodem mocy mechanizmu.
Podajmy jeszcze kilka przykładów wyjaśniających zasady symetrii w zastosowaniu do rozważanych bezkorbowych mechanizmów napędowych.
Ryż. 5
Schemat silnika z przeciwległym korbowodem:
1,2,3,4 - tłoki; 5 - wał korbowy; 6,7 - przeciwwagi; 8.9- wał(-y) odbioru mocy; 10,11 - trawersy robocze; 12,13,14 - trawersy synchronizujące; I, II, III - szyjki synchronizujące.
Najlepszym przykładem jest schemat kinematyczny przeciwstawnego silnika beztłoczyskowego (rys. 5). W odróżnieniu od czterocylindrowych silników krzyżowych (rys. 4) przemienność suwów mocy odbywa się tu równomiernie co 180° wzdłuż kąta obrotu wału korbowego. Konstrukcja mechanizmu napędowego obejmuje: cztery tłoki robocze z tłoczyskami (1-4), dwie trawersy robocze (10,11), trzy trawersy synchronizujące (12.13,14). Nazwane elementy są połączone wspólnym elementem wał korbowy(5) i znajdują się na jego pięciu szyjach. Szósty i siódmy czop wału (5) przeznaczony jest do montażu przeciwwag (6,7) i przenoszenia momentu obrotowego na wał odbioru mocy (8 lub 9). Z rys. 5 widać, że każdy tłok roboczy po obu stronach i w równych odległościach posiada wodziki synchronizujące (12,13,14). W silnik boksera spełniają następujące funkcje:
- Razem z trawersami roboczymi zapewniają synchronizację wału korbowego.
- Przejmują główne obciążenie sił gazowych, oddzielając poprzeczki cylindrów roboczych od obciążenia „uderzeniowego” w momencie zapłonu gazów palnych w sąsiednich cylindrach.
- Działają jak przeciwwagi równoważące wszystkie masy.
Rozważany mechanizm ma szerokie możliwości kinematyczne i jest doskonale wyważony. Jest to jedyny typ silnika beztłoczyskowego, w którym synchronizujące suwaki poprzeczki można zastąpić alternatywnymi grupami korbowodów (rys. 6).
Ryż. 6
1,2,3,4-tłoki; 5,6 - trawersy robocze; 7,8,9 - korbowód; 10 - wał korbowy; I, II, III - szyjki synchronizujące.
W tym przypadku warunkiem wystarczającym zapewnienia synchronizacji wału (10) będzie całkowite ustawienie w linii par kinematycznych, które się powielają w rzucie na płaszczyznę XOU. Tutaj, podobnie jak w poprzednim przykładzie, trawersy robocze (5,6) należące do tłoków (1-4) poruszają się po linii prostej. Korbowody (7,8,9) czopów synchronizujących (I, II, III) mają wspólną oś obrotu. Prace rozwojowe nad wdrożeniem zdemontowanego schematu kinematycznego można znacznie ograniczyć, głównie dzięki jego maksymalnej unifikacji z bazą elementową silników spalinowych montowanych na bagażniku. W ogólnym przypadku wszystkie schematy kinematyczne przestrzegają jednej zasady: do dowolnej z góry określonej liczby czopów roboczych należy dodać co najmniej dwa czopy synchronizujące na końcach wału. Jest jeden wyjątek od tej reguły - schemat kinematyczny, w którym wszystkie czopki robocze synchronizują się jednocześnie (ryc. 7).
Ryż. 7
1,2,3,4 - tłoki; 5 - wał korbowy; 6,7 - przeciwwagi; 8.9- wał(-y) odbioru mocy; 10,11,12 - działające trawersy synchronizujące, 13,14 - bliźniaki.
Wał korbowy (10) składa się tylko z pięciu czopów. Dwa zewnętrzne czopy wału służą do przenoszenia momentu obrotowego i instalowania na nich przeciwwag (6,7). Pozostałe czopy wypełnione są poprzeczkami (10,11,12). Poprzeczki 11 i 12 są połączone ze sobą parami (13,14), na nich zamontowane są tłoki 1 i 2. Czop centralny wału z poprzeczką 10 jest połączony prętami z kolejną parą tłoków (3,4). Trajektorie zestawów tłoków 1,2 i 3,4 przecinają się. Podczas suwu roboczego tłok 3 (lub 4) w połączeniu z poprzeczką 10 opiera się na poprzeczkach 11 i 12, które w tym momencie pełnią funkcje synchronizujące. Kiedy tłok wykona skok roboczy 1 (lub 2) razem z już pracującymi poprzeczkami 11 i 12, poprzeczka podporowa 10 synchronizuje się. I tak w kółko w nieskończoność. Płaszczyzna działania sił gazowych w takim mechanizmie będzie zawsze zamknięta trzema środkowymi czopami wału.
To rozwiązanie konstrukcyjne pozwala na ustawienie czterech cylindrów roboczych w tej samej płaszczyźnie przy minimalnej długości i maksymalnej sztywności wału korbowego. Całkowita liczba par ciernych w silniku jest zmniejszona od dwóch do trzech razy w porównaniu do silnika spalinowego montowanego na bagażniku!!! Tutaj, podobnie jak w poprzednich poprawionych schematach, wał korbowy spełnia wszystko niezbędne warunki obciążenie symetryczne (więcej szczegółów można znaleźć w czasopiśmie branżowym „Dvigatelestroyeniye” nr 3 z 1998 r. i nr 1 z 2000 r.).
Powyższy opis ma być jedynie krótką instrukcją dla tych, którzy interesują się podłączeniem silników beztłoczyskowych i chcieliby spróbować swoich sił w tym zakresie. I choć brakuje w nim „różnych szczegółów”, bez których zbudowanie działającej maszyny jest prawie niemożliwe, powyższa analiza pomoże uniknąć oczywistych błędów, straty czasu i pieniędzy.
Podsumowując, podajemy główne zalety bezkorbowych silników spalinowych:
- Bezkorbowy układ silnika pozwala na znaczną redukcję objętości komora silnika dzięki racjonalnemu rozmieszczeniu podzespołów i części silnika.
- Wzajemne połączenie sił gazowych i sił bezwładności prowadzi do znacznego zmniejszenia powstających sił obciążających ogniwa kinematyczne, co pozwala na zwiększenie sprawności mechanicznej silnika.
- Silnik jest częściowo lub całkowicie uwolniony od obracającego się koła zamachowego, ponieważ ruchome masy tłoków z poprzeczkami tworzą jedno, poruszające się stopniowo koło zamachowe.
- W silniku beztłoczyskowym łączącym im większa masa tłoków z tłoczyskami i wodzikami, tym wyższa prędkość obrotowa silnika (w pewnych granicach), tym mniejsze obciążenie łożysk, w silniku bagażnikowym jest odwrotnie.
- Zmniejsza się liczba funkcji przypisanych tłokom roboczym (tłoki przestają być parami ciernymi), a tym samym wzrasta niezawodność ich pracy.
- Istnieje możliwość organizacji procesu pracy w silniku po obu stronach tłoka roboczego lub wykorzystania przestrzeni podtłokowej do doładowania sprężarki.
- Możliwe staje się ulepszenie układu chłodzenia tłoków poprzez pompowanie oleju przez tłoczyska i tłoki w celu ich skutecznego schłodzenia.
- W przypadku tłoków poruszających się prostoliniowo możliwe staje się zastosowanie uszczelnienia labiryntowego z całkowitym lub częściowym odrzuceniem pierścieni tłokowych.
Do tego, co zostało powiedziane, należy dodać, że silnik korbowodowy, jak każda maszyna tłokowa, ma szereg ograniczeń, które uniemożliwiają zwiększenie jego prędkości obrotowej. Obejmuje to dystrybucję gazu, w której powstają znaczne siły bezwładności w wyniku ruchu posuwisto-zwrotnego zaworów; i wysoki opór ścieżki gaz-powietrze, ograniczający napełnianie objętości roboczych silnika mieszaniną palną; i obciążenie termiczne, które stale zagraża przegrzaniu silnika, a w konfiguracji z silnikiem wysokoprężnym występują również ograniczenia związane ze sprzętem dostarczającym paliwo.
To oczywiste silnik wewnętrzne spalanie nie jest wystarczająco oszczędny i zasadniczo tak jest słaba efektywność. Zmusza to naukowców do poszukiwania alternatyw – w szczególności stworzenia niedrogiego transportu elektrycznego lub wodorowego. Jednak ostatnie osiągnięcia pokazują, że silniki spalinowe mogą być naprawdę wydajne. Jak jest to wykonalne i co obecnie uniemożliwia stosowanie takich technologii w praktyce?
Silnik spalinowy bez przesady kręcił machiną postępu naukowo-technicznego. Transport drogowy jest najważniejszym środkiem transportu pasażerów i towarów. W USA na 1000 mieszkańców przypada dziś prawie 800 samochodów, a w Rosji do 2020 roku wskaźnik ten wyniesie około 350 samochodów na tysiąc mieszkańców.
Zdecydowana większość z ponad miliarda samochodów na świecie nadal korzysta z silnika spalinowego (ICE), wynalezionego w XIX wieku. Pomimo wszystkich sztuczek technologicznych i „inteligentnej” elektroniki, współczynnik przydatna akcja nowoczesny silniki benzynowe nadal oscyluje wokół poziomu 30%.
Najbardziej ekonomiczne silniki spalinowe Diesla mają sprawność na poziomie 50%, czyli nawet one emitują do atmosfery połowę paliwa w postaci szkodliwych substancji.
Oczywiście o sprawności silników spalinowych nie trzeba mówić, zwłaszcza biorąc to pod uwagę nowoczesne samochody Spalają 10–20 litrów paliwa na 100 km podróży. Nic dziwnego, że naukowcy na całym świecie próbują stworzyć niedrogie samochody elektryczne i wodorowe. Jednak koncepcja silnika spalinowego nie wyczerpała potencjału modernizacyjnego.
Dzięki najnowszemu postępowi w elektronice i materiałach możliwe stało się stworzenie naprawdę wydajnego silnika spalinowego.
Ekomotor
Inżynierowie firmy Międzynarodowy EcoMotors twórczo przeprojektował konstrukcję tradycyjnego silnika spalinowego. Zachował jednak tłoki, korbowody, wał korbowy i koło zamachowe nowy silnik 15–20% wydajniejszy, a także znacznie łatwiejszy i tańszy w produkcji. W takim przypadku silnik może pracować na kilku rodzajach paliwa, w tym na benzynie, oleju napędowym i etanolu.
Ryż. 1. Ogólnie rzecz biorąc, silnik EcoMotors ma elegancki wygląd prosty projekt, który ma o 50% mniej części niż konwencjonalny silnik.
Osiągnięto to poprzez zastosowanie przeciwstawnej konstrukcji silnika, w którym komorę spalania tworzą dwa tłoki poruszające się ku sobie.. W tym przypadku silnik jest dwusuwowy i składa się z dwóch modułów po 4 tłoki każdy, połączonych specjalnym elektronicznie sterowanym sprzęgłem.
Silnik jest całkowicie sterowany elektronicznie, dzięki czemu możliwe było osiągnięcie wysokiej wydajności i minimalny przepływ paliwo. Przykładowo w korku i innych przypadkach, gdy nie jest potrzebna pełna moc silnika, pracuje tylko jeden z dwóch modułów, co zmniejsza zużycie paliwa i hałas.
Silnik jest również wyposażony w sterowanie elektroniczne turbosprężarka, który wykorzystuje energię spaliny i wytwarza energię elektryczną. Ogólnie rzecz biorąc, silnik EcoMotors ma elegancką, prostą konstrukcję i zawiera o 50% mniej części niż silnik konwencjonalny. Nie posiada bloku głowicy cylindrów, jest wykonany z konwencjonalnych materiałów i wytwarza mniej hałasu i wibracji.
Jednocześnie silnik okazał się bardzo lekki: na 1 kg masy wytwarzał ponad 1 KM (w praktyce jest około 2 razy lżejszy od tradycyjnego silnika o tej samej mocy). Co więcej, produkt EcoMotors jest łatwo skalowalny: wystarczy dodać kilka modułów, a silnik małego samochodu osobowego zamieni się w mocny silnik ciężarówki.
Doświadczony silnik EcoMotors EM100 o wymiarach 57,9 x 104,9 x 47 cm waży 134 kg i wytwarza 325 KM. przy 3500 obr/min (olej napędowy), średnica cylindra - 100 mm. Planuje się, że zużycie paliwa pięciomiejscowego samochodu z silnikiem EcoMotors będzie wyjątkowo niskie – na poziomie 3-4 litrów na 100 km.
Oszczędności we wszystkim
Firma Achates Power postawiła sobie za cel opracowanie silnika spalinowego zużywającego 3–4,5 litra na 100 km dla samochodu wielkości Forda Fiesty. Na razie ich eksperymentalny silnik wysokoprężny wykazuje znacznie większy apetyt, ale twórcy mają nadzieję na zmniejszenie zużycia. Jednakże najważniejsza rzecz w tym silniku – niezwykle prosta konstrukcja i niski koszt. Zgadzamy się, że oszczędzanie na paliwie nie jest wiele warte, jeśli odbywa się kosztem wielokrotnego wzrostu ceny silnika.
Ryż. 2. Silnik Achates Power ma niezwykle prostą konstrukcję.
Silnik Achates Power ma niezwykle prostą konstrukcję. To bokser dwusuwowy silnik wysokoprężny, w którym dwa tłoki zbliżają się do siebie, tworząc komorę spalania. Eliminuje to potrzebę stosowania głowicy cylindrów i złożonego mechanizmu dystrybucji gazu. Większość części silnika jest wytwarzana przy użyciu prostych procesów produkcyjnych i nie wymaga drogich materiałów. Ogólnie rzecz biorąc, silnik zawiera znacznie mniej części i metalu niż silnik konwencjonalny.
Obecnie będący w fazie testów silnik Achates Power wykazuje o 21% większą wydajność niż najlepsze „tradycyjne” silniki wysokoprężne. Ponadto posiada modułową konstrukcję, dużą gęstość mocy (stosunek masa/KM). Ponadto, dzięki specjalnemu kształtowi górnej części tłoka, powstaje specjalnie ukształtowany przepływ wirowy, który zapewnia doskonałe wymieszanie mieszanki paliwowo-powietrznej, efektywne odprowadzanie ciepła oraz skraca czas spalania.
W rezultacie silnik nie tylko spełnia specyfikacje wojskowe armii amerykańskiej, ale także przewyższa silniki spotykane obecnie w pojazdach wojskowych.
Łatwy sposób
Amerykańska firma Spalanie transoniczne postanowiono nie tworzyć nowego silnika, ale osiągnąć imponujące (25–30%) oszczędności paliwa przy użyciu nowy system zastrzyk
Zaawansowany technologicznie układ wtryskowy TSCiTM nie wymaga radykalnych modyfikacji silnika i tak naprawdę jest zestawem wtryskiwaczy i specjalnej pompy paliwowej.
Ryż. 3. Zastosowania procesu spalania TSCiTM wtrysk bezpośredni benzyna w postaci płynu nadkrytycznego i specjalny układ zapłonowy.
Proces spalania TSCiTM wykorzystuje bezpośredni wtrysk benzyny w stanie nadkrytycznym i specjalny układ zapłonowy.
Płyn nadkrytyczny – to stan substancji w określonej temperaturze i ciśnieniu, gdy nie jest ona ani ciałem stałym, ani cieczą, ani gazem. W tym stanie substancja nabiera ciekawych właściwości, np. nie ma napięcia powierzchniowego, a podczas przejścia fazowego tworzy drobne cząstki. Ponadto płyn nadkrytyczny ma zdolność szybkiego przenoszenia masy. Wszystkie te właściwości są niezwykle przydatne w silniku spalinowym, w szczególności paliwo nadkrytyczne szybko się miesza, nie ma dużych kropel, szybko się spala przy optymalnym oddawaniu ciepła i wysokiej wydajności cyklu.
Zawór elektroniczny
Firma Technologie silników Graala opracowała unikat silnik dwusuwowy o bardzo atrakcyjnych właściwościach.
Tak więc przy zużyciu 3-4 litrów na „sto” silnik wytwarza 200 KM. Silnik o mocy 100 KM. waży niecałe 20 kg i ma moc 5 KM. – tylko 11 kg! Jednocześnie Grail Engine w odróżnieniu od konwencjonalnych silniki dwusuwowe, nie zanieczyszcza paliwa olejem ze skrzyni korbowej, co oznacza, że spełnia najbardziej rygorystyczne normy ekologiczne.
Sam silnik składa się z prostych części, w większości wytwarzanych metodą odlewania. Sekret jego wyjątkowej wydajności leży w sposobie działania Graala Engine. Gdy tłok porusza się w górę, na dole wytwarza się podciśnienie, które przedostaje się do komory spalania przez specjalny zawór z włókna węglowego. W pewnym momencie ruchu tłoka zaczyna wówczas płynąć paliwo top martwy w tym momencie za pomocą trzech konwencjonalnych elektrycznych świec zapłonowych następuje zapłon mieszanki paliwowo-powietrznej, zawór w tłoku zamyka się. Tłok opada, cylinder wypełnia się spalinami. Po osiągnięciu dolnego martwego punktu tłok zaczyna ponownie poruszać się w górę, strumień powietrza przewietrza komorę spalania, wypychając spaliny, a cykl pracy się powtarza.
Ryż. 4. Sekret jego wyjątkowych osiągów leży w konstrukcji operacyjnej Silnika Graala.
Kompaktowy i mocny silnik Graala idealny dla samochody hybrydowe gdzie jest benzyna nowy silnik wytwarza energię elektryczną, a silniki elektryczne obracają koła.
W takiej maszynie Silnik Graala będzie pracował w trybie optymalnym bez nagłych skoków mocy, co znacznie zwiększy jego trwałość, zmniejszy hałas i zużycie paliwa. Jednocześnie modułowa konstrukcja pozwala na podłączenie dwóch lub więcej jednocylindrowych silników Graala do wspólnego wału korbowego, co umożliwia tworzenie silników rzędowych o różnej mocy.
Co roku pojawiają się nowe modele samochodów - ale z jakiegoś powodu nie mają one opisanych powyżej ekonomicznych i prostych silników. Rzeczywiście, silniki nowy design Wszyscy są zainteresowani: od wszechobecnego inwestora Billa Gatesa po Pentagon. Jednak producenci samochodów nie spieszą się z instalowaniem nowych produktów w swoich samochodach. Najwyraźniej o to właśnie chodzi dużych producentów samochodów Sami produkują silniki i oczywiście nie chcą dzielić się zyskami z zewnętrznymi programistami.
Ale i tak trudne Norm środowiskowych a pojazdy elektryczne wymuszą na producentach samochodów wprowadzenie nowych technologii, które dla zdrowia ludzi i całej planety są o wiele ważniejsze niż systemy multimedialne i rozkosze projektowe.
Nowe technologie mają na celu zwiększenie wydajności silników spalinowych. W poprzednich latach stały się wszechobecne, a w przyszłości staną się „inteligentne”. Niestety nie mają jeszcze dużej wydajności i nie są ekonomiczne. Ale korzystając z najnowszych osiągnięć w zakresie materiałów i elektroniki, całkiem możliwe jest skorygowanie tych niedociągnięć.
Koncern samochodowy Mazda często oferuje ciekawe innowacyjne rozwiązania. Jedną z kwestii, którymi postanowił się zająć, była oszczędność paliwa. Firma opracowała nowe silniki Skyactiv-G. Do produkcji planowane są już samochody subkompaktowe. samochody Mazdy 2 w nie wyposażone. Mają najwyższy stopień sprężania, co poprawia efektywność paliwową. Według twórców średnie zużycie benzyny wyniesie około 3 litry na sto kilometrów.
Zawór elektroniczny
Ten dwusuwowy silnik został opracowany przez Grail Engine Technologies Corporation. Wykonany jest z prostych części wykonanych metodą odlewu.
Zalety:
- wyprodukowane zgodnie z normami środowiskowymi;
- zużywając od trzech do czterech litrów na „sto”, wytwarza 200 KM;
- Możliwość montażu w pojazdach hybrydowych.
Lasery
Nowe technologie w silnikach spalinowych stały się możliwe wraz z pojawieniem się laserów. Standardowe świece zapłonowe mają poważny problem. Wymaga silnej iskry, ale w tym przypadku elektrody szybko się zużywają. Problem ten można rozwiązać za pomocą laserów do zapalania paliwa. Mają tę zaletę, że pozwalają na ustawienie ważnych parametrów: kąta zapłonu i mocy.
Naukowcy opracowali lasery ceramiczne o średnicy 9 mm. Pasują do zdecydowanej większości silników.
Szczyt
Jednym z obiecujących osiągnięć są silniki Pinnacle, w których tłoki są umieszczone naprzeciwko siebie, będąc w tym samym cylindrze. Pomiędzy nimi zapala się paliwo. Takie rozwiązanie znacznie oszczędza energię i zwiększa wydajność silnika. Jednocześnie koszt jednostka mocy całkiem nisko.
Silniki te zasadniczo różnią się od powszechnie stosowanych wszędzie modeli bokserów.
Irys
Jest to silnik dwusuwowy o zmiennej geometrii i powierzchni tłoka. Jest lekki i kompaktowy, a jego wydajność wynosi 45%.
Wynalazca Iris, Timber Dick, wpadł na pomysł z sześcioma tłokami o trzykrotnie większej powierzchni użytkowej w porównaniu ze standardową parą. Każdy tłok to stalowy, zakrzywiony płatek.
Algorytm pracy:
- przepływ powietrza przez komorę spalania;
- zamykanie płatków w kierunku środka komory i sprężanie powietrza;
- przesuwanie tłoków i obracanie wałów;
- wtrysk paliwa i zapłon;
- otwarcie zaworów wydechowych.
Separacja grzejników
Osobliwością tej innowacji jest to, że silnik jest podzielony na dwie części przez chłodnicę. Zasysanie i sprężanie paliwa odbywa się w zimnych cylindrach, a spalanie i odprowadzanie gazów w gorących. Przy takiej eksploatacji urządzenia uzyskuje się oszczędności rzędu 40%. Naukowcy wciąż je udoskonalają i udoskonalają ten system aby osiągnąć jeszcze większe oszczędności (nawet do 50%).
Scuderi
Ten silnik dzielonego cyklu pneumatyczno-hybrydowego został opracowany przez amerykańską firmę Scuderi Group. Jest bardziej ekonomiczny w porównaniu z konwencjonalnymi analogami. Pracownicy firmy oczekują, że ich wynalazek będzie prawdziwym przełomem. Mają już na to patent. W celu jak najbardziej efektywnego wykorzystania energii dzieli 4 standardowe cylindry tłokowe na robocze i pomocnicze. Dzieje się tak po to, aby mądrze wykorzystać energię, którą wygenerują. Mechanizm działania opiera się na połączeniu dwóch cylindrów za pomocą specjalnego kanału. Następnie do drugiego cylindra wtryskiwane jest sprężone powietrze, po czym następuje zapłon mieszanki paliwowo-powietrznej i spalin.
Ekomotor
Eco Motors International w kreatywny sposób przeprojektowało silnik spalinowy. Okazało się, że jest dwusuwowy, o eleganckiej i prostej konstrukcji. Para modułów (po cztery tłoki każdy) jest połączona sprzęgłem i sterowana elektronicznie.
Turbosprężarka wykorzystuje energię gazów spalinowych i bierze udział w wytwarzaniu energii elektrycznej.
Zalety:
- łatwość;
- niskie zużycie paliwa;
- niskie koszty produkcji;
- skalowalność (po dodaniu kilku modułów silnik małego samochodu zamienia się w silnik ciężarówki).
Silnik może pracować na benzynie, oleju napędowym, etanolu.
Silniki obrotowe
Amerykańscy naukowcy opracowują kolejną interesującą innowację w silniku samochodowym. Jego zasoby będą wyższe niż w przypadku konwencjonalnych modeli. Mechanizm akcji:
- Pozyskiwanie energii pod wpływem fal uderzeniowych.
- Obrót wirnika, przejście paliwa przez kanały.
- Powstawanie fali uderzeniowej.
- Zapłon i odprowadzanie spalin.
W 2018 roku naukowcy kontynuują poszukiwania nowych technologii produkcji ekonomicznych i przyjaznych środowisku modeli silników spalinowych. Wiele projektów jest wciąż w fazie rozwoju i oczekuje na finansowanie.
Silnik Diesla z czterema turbinami, pierwszy na świecie silnik z elektryczną doładowaniem i rewolucyjna jednostka, która może tchnąć nowe życie w silnik spalinowy: „Motor” prezentuje przegląd elektrowni z najbardziej innowacyjnymi rozwiązaniami, jakie pojawiły się w ciągu ostatnich kilku miesięcy .
Od początku 2016 roku pokazywane są nam imponująco zaprojektowane silniki wysokoprężne do flagowego modelu BMW oraz „doładowanej” wersji Audi Q7, o małej pojemności skokowej, ale bardzo „inteligentnej” silnik benzynowy Volkswagen, G8 dla nowej Panamery i niezwykły produkt współpracy Koenigsegga z Chińczykami z Qoros.
Co mają wspólnego BMW 7 i supersamochód Bugatti Veyron? Ilość turbin w silniku! Wiosną tego roku bawarski flagowiec otrzymał nową jednostkę wysokoprężną: trzy litry pojemności skokowej, sześć cylindrów i cztery doładowania. Cztery! To nie tylko pierwszy w historii produkowany seryjnie silnik na paliwo ciężkie z tak dużą liczbą turbin, ale także najmocniejsza „szóstka” diesla na świecie.
Silnik rozwija 400 Konie mechaniczne 760 Nm momentu obrotowego - 19 koni mechanicznych i 20 Nm więcej niż poprzednia jednostka z trzema sprężarkami. Silnik w połączeniu z ośmiobiegową automatyczną skrzynią biegów pozwala „siódemce” przyspieszyć od zera do stu kilometrów na godzinę w 4,6 sekundy (limuzyna z dużym rozstawem osi wykonuje to samo ćwiczenie w 4,7 sekundy) - o 0,3 sekundy szybciej niż jego poprzednik. Ale konstrukcja tego silnika prawdopodobnie kryje w sobie znacznie większy potencjał.
Wielostopniowy układ doładowania tego silnika składa się z dwóch sprężarek o niskiej bezwładności wysokie ciśnienie zainstalowane w jednym urządzeniu, a także dwie kompaktowe sprężarki niskie ciśnienie. Wszystkie turbiny załączają się sekwencyjnie, przy czym druga sprężarka wysokociśnieniowa załącza się dopiero przy gwałtownym przyspieszaniu i dopiero przy prędkościach obrotowych wału korbowego powyżej 2500 obr/min.
Nowa jednostka okazała się nieco lżejsza i ma większy moment obrotowy: pierwsze 450 Nm momentu obrotowego dostępne jest już od 1000 obr/min, a półkę 760 Nm silnik osiąga w zakresie od 2000 do 3000 obr/min.
Dodatkowa turbina niskociśnieniowa pozwoliła nie tylko zwiększyć moc silnika, ale także zwiększyć zużycie paliwa o 11 procent - do 5,7-5,9 litra na sto kilometrów.
Na sympozjum w Wiedniu Volkswagen zaprezentował nową 1,5-litrową „turbo-cztery”, która zastąpi obecną 1,4-litrową jednostkę doładowaną. Główną innowacją tego silnika jest turbina o zmiennej geometrii wirnika, która pojawi się po raz pierwszy na świecie modele masowe z silnikiem spalinowym z zapłonem iskrowym.
Sprężarki o zmiennej geometrii marek Peugeot, Citroen, Honda i Chrysler są stosowane od końca lat 80. XX wieku, ale technologia ta ogranicza się obecnie do samochodów sportowych i supersamochodów, takich jak Porsche 911 Turbo, a także nowych turbodoładowanych czwórek 718 Cayman i 718 Boxster . Cóż, w jednostki diesla, Oczywiście.
Cechą szczególną takiej turbosprężarki jest pierścień ze specjalnymi płatkami prowadzącymi, które mogą zmieniać swój kąt, aby zoptymalizować moc turbiny pod określonymi obciążeniami. Możliwość zmiany przekroju zwiększa moc, poprawia reakcję silnika i zmniejsza zużycie paliwa. Maksymalny moment obrotowy osiągany jest przy niższych prędkościach i jest dostępny w szerszym zakresie w porównaniu do silników z tradycyjną doładowaniem.
Jednym z pierwszych modeli, który otrzymał silnik z turbiną o zmiennej geometrii wirnika, był mały hatchback Shelby CSX-VNT z 1989 roku.
Nowa jednostka o pojemności 1,5 litra będzie oferowana w dwóch wersjach mocy: 131 i 150 KM. Maksymalny moment obrotowy podstawowego silnika wynoszący 200 Nm osiągany jest już przy 1300 obr./min i jest dostępny do 4500 obr./min.
Kolejną innowacją jest to, że silnik ten będzie pracował w cyklu Millera, w którym zawór dolotowy pozostaje przez pewien czas otwarty na początku cyklu sprężania i zamyka się nieco później niż w standardowych silnikach. W rezultacie geometryczny stopień sprężania wzrósł z 10,5:1 w poprzednim silniku do 12,5:1.
Dodatkowo nowa „czwórka” otrzymała system dezaktywacji cylindrów, który przy małych obciążeniach wyłącza dwa z nich, ulepszony układ wtrysku paliwa o podwyższonym ciśnieniu do 350 barów, zupełnie nową głowicę cylindrów oraz elektronicznie sterowany układ chłodzenia.
„Dieselgate” jeszcze nie ucichł, a Audi miało nową czterolitrową „ósemkę” o mocy 435 koni mechanicznych z potrójnym doładowaniem, która zadebiutowała w „naładowanym” SUV-ie SQ7. Dwie tradycyjne turbiny są połączone ze sprężarką napędzaną elektrycznie. Zastosowano podobny schemat samochód produkcyjny Pierwszy.
Sprężarkę napędza silnik elektryczny o mocy 7 kW (9,5 KM), który przyspiesza wirnik do 70 tysięcy obrotów w zaledwie ćwierć sekundy, unikając opóźnienia turbo. Silnik elektryczny zasilany jest z osobnej instalacji elektrycznej o napięciu 48 V i pakietu akumulatorów litowo-jonowych umieszczonych pod bagażnikiem „naładowanego” crossovera.
Nowością jest także sam czterolitrowy silnik V8. Turbosprężarki znajdują się tutaj w wypukłości bloku cylindrów i działają w schemacie dwustopniowym. Przy niskich i średnich prędkościach układ podnoszenia zaworów otwiera jeden z dwóch zaworów wydechowych w każdym cylindrze, obracając pierwszą turbinę. Wraz ze wzrostem obciążenia (2200-2700 obr/min) elektronika otwiera drugi zawór wydechowy i aktywuje się kolejna sprężarka. Elektryczna sprężarka działa na samym dole.
Dzięki temu czterolitrowa jednostka rozwija moc 435 koni mechanicznych, a maksymalny moment obrotowy na poziomie 900 Nm dostępny jest w przedziale 1000-3250 obr/min. Silnik współpracujący z ośmiobiegową automatyczną skrzynią biegów pozwala siedmiomiejscowemu SUV-owi na osiągnięcie „setki” w 4,8 sekundy. Maksymalna prędkość jest elektronicznie ograniczona do 250 kilometrów na godzinę.
Nowy Silnik Audi w przyszłości pojawią się w innych modelach Volkswagena, także w nowym Porsche Panamera i Cayenne, a także modyfikację Bentleya Bentaygi z silnikiem Diesla.
Kolejny „globalny” silnik, który po raz pierwszy zadebiutuje w Porsche Panamera Turbo i Cayenne Turbo nowej generacji, a w dalszej kolejności dotrą do modeli Audi, Bentley, a nawet Lamborghini. To najnowszy czterolitrowy silnik V8 z podwójnym turbodoładowaniem, który zastąpi obecną 4,8-litrową ósemkę z turbodoładowaniem.
Zmniejszenie objętości roboczej, oprócz unifikacji z innymi elektrownie Grupa Volkswagen umożliwi flagowym modelom Porsche – Panamera Turbo i Cayenne Turbo – ominięcie obowiązującego w Chinach podwyższonego podatku na samochody z silnikami powyżej czterech litrów.
W wersji podstawowej nowy silnik będzie rozwijał moc 550 koni mechanicznych i moment obrotowy 770 Nm, czyli o 30 koni mechanicznych i 70 Nm więcej niż poprzednia jednostka 4,8. Jednocześnie Porsche twierdzi, że w wersjach Panamera Turbo S i Cayenne Turbo S będzie wytwarzać ponad 600 koni mechanicznych i 810 Nm.
Oprócz dużej mocy, nowy silnik będzie zauważalnie bardziej wydajny niż poprzedni. Co oznacza, że jest bardziej ekonomiczny. Otrzyma przecież system dezaktywacji połowy cylindrów przy niskich obciążeniach (w zakresie od 950 do 3500 obr/min), co poprawi zużycie paliwa o 30 proc.
Jednostka V8 z podwójnym turbodoładowaniem jest zunifikowana z opracowanym przez Audi trzylitrowym silnikiem turbo V6 i została stworzona z uwzględnieniem jego zastosowania zarówno na modułowej platformie MLB, jak i na podwoziu MSB. Pierwsza architektura przeznaczona jest dla samochodów z napędem na przednie koła i na wszystkie koła (czytaj: Audi A4, A5, A6 oraz pochodne, w tym crossovery), a druga - z napędem na tylne koła lub na wszystkie koła (stosowane w duże modele Porsche i Bentley).
Dlatego oprócz nowej Panamery i Cayenne do oferty dołączy czterolitrowy silnik Silniki Audi A6, A8 i Q7 kolejnych generacji, a także dwa modele Bentleya – Bentayga i Continental. Wreszcie crossover Lamborghini Urus najprawdopodobniej będzie wyposażony w ten silnik, co powinno odebrać Benteidze tytuł „najszybszego produkcyjnego SUV-a na świecie”.
