V lete 2017 sa vo vedeckej a technickej komunite rozšírila správa - mladý vedec z Jekaterinburgu vyhral celoruskú súťaž inovatívnych projektov v oblasti energetiky. Súťaž sa volá „Breakthrough Energy“, zúčastniť sa jej môžu vedci nie starší ako 45 rokov a Leonid Plotnikov, docent Uralskej federálnej univerzity pomenovaný po prvom prezidentovi Ruska B. N. Jeľcin“ (Uralská federálna univerzita), vyhral cenu 1 000 000 rubľov.
Bolo hlásené, že Leonid vyvinul štyri originálne technické riešenia a získal sedem patentov na sacie a výfukové systémy spaľovacích motorov, preplňované aj s prirodzeným nasávaním. Najmä úprava sacieho systému turbomotora „podľa Plotnikovovej metódy“ môže eliminovať prehrievanie, znížiť hluk a množstvo škodlivé emisie. A modernizácia výfukový systém preplňovaný spaľovací motor zvyšuje účinnosť o 2 % a znižuje špecifickú spotrebu paliva o 1,5 %. V dôsledku toho sa motor stáva ekologickejším, stabilnejším, výkonným a spoľahlivým.
Je to naozaj pravda? Čo je podstatou návrhov vedcov? S víťazom súťaže sa nám podarilo porozprávať a všetko zistiť. Zo všetkých pôvodných technických riešení vyvinutých Plotnikovom sme sa usadili na dvoch vyššie spomenutých: upravené sacie a výfukové systémy pre turbomotory. Štýl prezentácie sa môže zdať na prvý pohľad ťažko pochopiteľný, no čítajte pozorne a nakoniec sa dostaneme k veci.
Problémy a výzvy
Autorstvo ďalej opísaného vývoja patrí skupine vedcov z UrFU, medzi ktoré patrí doktor technických vied, profesor Yu.M. Brodov, doktor fyzikálnych a matematických vied, profesor B.P. Zhilkin. a kandidát technických vied docent L. V. Plotnikov. Práca tejto konkrétnej skupiny bola ocenená grantom vo výške jedného milióna rubľov. Pri inžinierskej štúdii navrhovaných technických riešení im pomáhali špecialisti z Ural Diesel Engine Plant LLC, konkrétne vedúci katedry, kandidát technických vied Shestakov D.S. a zástupca hlavného konštruktéra, kandidát technických vied Grigoriev N.I.
Jedným z kľúčových parametrov ich výskumu bol prenos tepla vychádzajúceho z prúdenia plynu do stien vstupného alebo výstupného potrubia. Čím nižší je prenos tepla, tým nižšie je tepelné namáhanie, tým vyššia je spoľahlivosť a výkon systému ako celku. Na odhad intenzity prestupu tepla sa používa parameter, ktorý sa nazýva lokálny koeficient prestupu tepla (označený ako αx) a úlohou výskumníkov bolo nájsť spôsoby, ako tento koeficient znížiť.
Ryža. 1. Zmena lokálneho (lх = 150 mm) súčiniteľa prestupu tepla αх (1) a rýchlosti prúdenia vzduchu wх (2) v čase τ za voľným kompresorom turbodúchadla (ďalej len TC) s hladkým kruhovým potrubím a rôzne frekvencie rotácia rotora TC: a) ntk = 35 000 min-1; b) ntk = 46 000 min-1
Problém modernej konštrukcie motorov je vážny, pretože plynovody a vzduchové kanály sú zahrnuté v zozname tepelne najviac zaťažených prvkov moderných spaľovacích motorov a úloha zníženia prenosu tepla v sacom a výfukovom trakte je obzvlášť naliehavá pre motory s turbodúchadlom. . V turbomotoroch je totiž v porovnaní s atmosférickými motormi zvýšený tlak a teplota na vstupe, priemerná teplota cyklu a vyššia pulzácia plynu, čo spôsobuje termomechanické namáhanie. Tepelné namáhanie vedie k únave dielov, znižuje spoľahlivosť a životnosť komponentov motora a tiež vedie k neoptimálnym podmienkam spaľovania paliva vo valcoch a poklesu výkonu.
Vedci sa domnievajú, že tepelné namáhanie turbomotora sa dá znížiť a tu, ako sa hovorí, existuje nuansa. Za dôležité sa zvyčajne považujú dve charakteristiky turbodúchadla - plniaci tlak a prietok vzduchu a samotná jednotka sa vo výpočtoch berie ako statický prvok. V skutočnosti však výskumníci poznamenávajú, že po inštalácii turbokompresora sa termomechanické charakteristiky prietoku plynu výrazne menia. Preto pred štúdiom, ako sa mení αx na vstupe a výstupe, je potrebné študovať samotný prietok plynu cez kompresor. Najprv - bez ohľadu na piestovú časť motora (ako sa hovorí, za voľným kompresorom, pozri obr. 1), a potom - spolu s ním.
Bol vyvinutý a vytvorený automatizovaný systém na zber a spracovanie experimentálnych dát - hodnoty prietoku plynu wx a miestneho súčiniteľa prestupu tepla αx boli prevzaté a spracované z dvojice snímačov. Okrem toho bol zostavený jednovalcový model motora na základe motora VAZ-11113 s turbodúchadlom TKR-6.
Ryža. 2. Závislosť lokálneho (lх = 150 mm) súčiniteľa prestupu tepla αх od uhla natočenia kľukového hriadeľa φ v sacom potrubí preplňovaného piestového spaľovacieho motora pri rôznych otáčkach kľukového hriadeľa a rôznych otáčkach rotora TC: a) n = 1 500 min- 1; b) n = 3 000 min-1, 1 - n = 35 000 min-1; 2 - ntk = 42 000 min-1; 3 - ntk = 46 000 min-1
Štúdie ukázali, že turbodúchadlo je silným zdrojom turbulencií, ktoré ovplyvňujú termomechanické charakteristiky prúdenia vzduchu (pozri obr. 2). Okrem toho vedci zistili, že samotná inštalácia turbodúchadla zvyšuje αx na vstupe motora o približne 30 % – čiastočne kvôli tomu, že vzduch za kompresorom je jednoducho oveľa teplejší ako na vstupe do motora s prirodzeným nasávaním. Meral sa aj prestup tepla na výfuku motora s nainštalovaným turbodúchadlom a ukázalo sa, že čím vyšší je pretlak, tým je prenos tepla menej intenzívny.
Ryža. 3. Schéma sacieho systému preplňovaného motora s možnosťou vypúšťania časti núteného vzduchu: 1 - sacie potrubie; 2 - spojovacie potrubie; 3 - spojovacie prvky; 4 - kompresor TK; 5 - elektronická riadiaca jednotka motora; 6 - elektropneumatický ventil].
V súhrne sa ukazuje, že na zníženie tepelného namáhania je potrebné nasledovné: v sacom trakte je potrebné znížiť turbulencie a pulzáciu vzduchu a na výstupe vytvoriť dodatočný tlak alebo vákuum, čím sa zrýchli prietok - tým sa zníži prenos tepla a navyše to priaznivo ovplyvní čistenie valcov od výfukových plynov.
Všetky tieto zdanlivo samozrejmé veci potrebovali podrobné merania a analýzy, ktoré nikto predtým nerobil. Práve získané údaje umožnili vyvinúť opatrenia, ktoré sú v budúcnosti schopné, ak nie urobiť revolúciu, tak určite vdýchnuť, v doslovnom zmysle slova, nový život celému priemyslu výroby motorov.
Ryža. 4. Závislosť lokálneho (lх = 150 mm) súčiniteľa prestupu tepla αх od uhla natočenia kľukového hriadeľa φ v sacom potrubí preplňovaného piestového spaľovacieho motora (ntk = 35 000 min-1) pri otáčkach kľukového hriadeľa n = 3 000 min- 1. Podiel vypúšťania vzduchu: 1 - G1 = 0,04; 2 - G2 = 0,07; 3 - G3 = 0,12].
Odstránenie prebytočného vzduchu z nasávania
Po prvé, výskumníci navrhli dizajn na stabilizáciu prietoku vstupného vzduchu (pozri obrázok 3). Elektropneumatický ventil, zapustený v sacom trakte za turbínou a v určitých momentoch vypúšťajúci časť vzduchu stlačeného turbodúchadlom, stabilizuje prietok - znižuje pulzovanie otáčok a tlaku. Vo výsledku by to malo viesť k zníženiu aerodynamického hluku a tepelného namáhania v sacom trakte.
Koľko ho však treba prenastaviť, aby systém efektívne fungoval bez výrazného oslabenia efektu preplňovania turbodúchadlom? Na obrázkoch 4 a 5 vidíme výsledky meraní: ako ukazujú štúdie, optimálny podiel odpadového vzduchu G leží v rozmedzí od 7 do 12% - takéto hodnoty znižujú prenos tepla (a tým aj tepelné zaťaženie) v motore sací trakt na 30%, to znamená dostať ho na hodnoty charakteristické pre atmosférické motory. Nemá zmysel ďalej zvyšovať podiel vypúšťania - už to nemá žiadny účinok.
Ryža. 5. Porovnanie závislostí lokálneho (lх = 150 mm, d = 30 mm) súčiniteľa prestupu tepla αх na uhle natočenia kľukového hriadeľa φ v sacom potrubí preplňovaného piestového spaľovacieho motora bez odvzdušňovania (1) a s odvzdušňovacou časťou. vzduchu (2) pri ntk = 35 000 min-1 a n = 3 000 min-1 sa podiel prebytočného vzduchu rovná 12 % z celkového prietoku].
Vyhadzovanie pri výfuku
No a čo výfukový systém? Ako sme už povedali vyššie, v turbomotore funguje aj pri zvýšených teplotách a navyše vždy chcete, aby výfukové plyny čo najviac napomáhali maximálnemu čisteniu valcov od výfukových plynov. Tradičné metódy riešenia týchto problémov sú už vyčerpané, sú ešte nejaké rezervy na zlepšenie? Ukazuje sa, že existuje.
Brodov, Zhilkin a Plotnikov tvrdia, že čistenie plynu a spoľahlivosť výfukového systému možno zlepšiť vytvorením dodatočného vákua alebo vypudzovania. Vyhadzovací prúd podľa vývojárov rovnako ako sací ventil znižuje pulzáciu prúdenia a zvyšuje objemové prúdenie vzduchu, čo prispieva k lepšiemu čisteniu valcov a zvýšeniu výkonu motora.
Ryža. 6. Schéma výfukového systému s ejektorom: 1 – hlava valca s kanálom; 2 – výfukové potrubie; 3 – výfukové potrubie; 4 – vyhadzovacia trubica; 5 – elektropneumatický ventil; 6 – elektronická riadiaca jednotka].
Vystrekovanie má pozitívny vplyv na prenos tepla z výfukových plynov do častí výfukového traktu (pozri obr. 7): pri takomto systéme sú maximálne hodnoty lokálneho súčiniteľa prestupu tepla αx o 20 % nižšie ako pri tradičný výfuk - s výnimkou obdobia uzavretia sacieho ventilu je tu intenzita prenosu tepla naopak o niečo vyššia. Vo všeobecnosti je však prenos tepla stále menší a výskumníci predpokladali, že ejektor na výfuku turbomotora zvýši jeho spoľahlivosť, pretože zníži prenos tepla z plynov na steny potrubia a samotných plynov. bude ochladzovaný výstupným vzduchom.
Ryža. 7. Závislosti lokálneho (lх = 140 mm) koeficientu prestupu tepla αх od uhla natočenia kľukového hriadeľa φ vo výfukovom systéme pri nadmerný tlak uvoľnenie pb = 0,2 MPa a otáčky kľukového hriadeľa n = 1 500 min-1. Konfigurácia výfukového systému: 1 - bez vyhadzovania; 2 - s vyhadzovaním.]
Čo ak sa spojíme?...
Po získaní takýchto záverov pri experimentálnej inštalácii zašli vedci ešte ďalej a aplikovali získané poznatky na skutočný motor - ako jeden z „testovacích subjektov“ bol vybraný dieselový motor 8DM-21LM vyrobený spoločnosťou Ural Diesel Engine Plant LLC. používané ako stacionárne elektrárne. Okrem toho sa v práci použil aj „mladší brat“ 8-valcového dieselového motora 6DM-21LM, tiež v tvare V, ale so šiestimi valcami.
Ryža. 8. Inštalácia solenoidový ventil na uvoľnenie časti vzduchu na dieselovom motore 8DM-21LM: 1 - elektromagnetický ventil; 2 - prívodné potrubie; 3 - puzdro výfukového potrubia; 4 - turbodúchadlo.
Na „juniorskom“ motore bol implementovaný systém vyhadzovania výfukových plynov, logicky a veľmi dômyselne kombinovaný so systémom odľahčenia nasávacieho tlaku, na ktorý sme sa pozreli o niečo skôr - koniec koncov, ako je znázornené na obrázku 3, výfukový vzduch možno použiť na potreby motora. Ako môžete vidieť (obr. 9), nad výfukovým potrubím sú uložené rúrky, do ktorých sa privádza vzduch nasávaný zo vstupu - to je rovnaký pretlak, ktorý vytvára turbulencie za kompresorom. Vzduch z trubíc je „rozvádzaný“ systémom elektrických ventilov, ktoré sú umiestnené bezprostredne za výfukovým oknom každého zo šiestich valcov.
Ryža. 9. Všeobecná forma modernizovaný výfukový systém motora 6DM-21LM: 1 – výfukové potrubie; 2 – turbodúchadlo; 3 – výstupné potrubie plynu; 4 – vyhadzovací systém.
Takéto ejekčné zariadenie vytvára dodatočný podtlak vo výfukovom potrubí, čo vedie k vyrovnaniu prúdenia plynu a oslabeniu prechodných procesov v takzvanej prechodovej vrstve. Autori štúdie merali rýchlosť prúdenia vzduchu wх v závislosti od uhla natočenia kľukového hriadeľa φ s výstupom výfukových plynov a bez neho.
Z obrázku 10 je vidieť, že počas vyhadzovania je maximálna rýchlosť prúdenia vyššia a po zatvorení výfukového ventilu klesá pomalšie ako v potrubí bez takéhoto systému – dosiahne sa akýsi „preplachovací efekt“. Autori uvádzajú, že výsledky naznačujú stabilizáciu prietoku a lepšie čistenie valcov motora od výfukových plynov.
Ryža. 10. Závislosti lokálnej (lx = 140 mm, d = 30 mm) rýchlosti prúdenia plynu wх vo výfukovom potrubí s vyhadzovaním (1) a tradičnom potrubí (2) od uhla natočenia kľukového hriadeľa φ pri rýchlosti otáčania kľukového hriadeľa n = 3000 min- 1 a počiatočný pretlak pb = 2,0 bar.
Aký je výsledok?
Vezmime to teda pekne po poriadku. Po prvé, ak vypustíte malú časť vzduchu stlačeného kompresorom zo sacieho potrubia turbomotora, môžete znížiť prenos tepla zo vzduchu na steny potrubia až o 30 % a zároveň zachovať hmotnostný prietok vzduch vstupujúci do motora normálna úroveň. Po druhé, ak použijete vyhadzovanie pri výfuku, potom sa môže výrazne znížiť aj prenos tepla vo výfukovom potrubí - vykonané merania uvádzajú hodnotu asi 15% - a tiež zlepšiť čistenie plynov vo valcoch.
Spojenie preukázaných vedeckých poznatkov pre sací a výfukový trakt do jednotný systém, získame komplexný efekt: odoberaním časti vzduchu zo sania, jeho prevedením do výfuku a precíznou synchronizáciou týchto impulzov v čase systém vyrovná a „upokojí“ prúdenie vzduchu a výfukových plynov. V dôsledku toho by sme mali dostať motor, ktorý je menej tepelne zaťažený, spoľahlivejší a produktívnejší v porovnaní s bežným turbomotorom.
Takže výsledky boli získané v laboratórne podmienky, potvrdené matematickým modelovaním a analytickými výpočtami, po ktorých bol vytvorený prototyp, na ktorom boli vykonané testy a boli potvrdené pozitívne účinky. To všetko sa doteraz realizovalo v stenách UrFU na veľkom stacionárnom turbodieselovom motore (motory tohto typu sa používajú aj na dieselových lokomotívach a lodiach), avšak princípy vložené do konštrukcie by sa mohli udomácniť aj na menších motoroch – predstavte si napríklad GAZ Gazelle, UAZ Patriot alebo LADA Vesta dostať nový turbomotor, a dokonca s lepšími vlastnosťami ako ich zahraniční kolegovia... Je to možné nový trend s výrobou motorov sa začalo v Rusku?
Vedci z UrFU majú riešenia aj na zníženie tepelného zaťaženia atmosférických motorov a jedným z nich je profilovanie kanálov: priečne (zavedením vložky so štvorcovým alebo trojuholníkovým prierezom) a pozdĺžne. V zásade pomocou všetkých týchto riešení je dnes možné postaviť funkčné prototypy, vykonať testy a ak je výsledok pozitívny, spustiť sériovú výrobu - daný dizajn a konštrukčné smery podľa vedcov nevyžadujú značné finančné a časové nároky. náklady. Teraz by mali mať záujem výrobcovia.
Leonid Plotnikov hovorí, že sa považuje predovšetkým za vedca a nekladie si za cieľ komercializovať nový vývoj.
Medzi ciele by som skôr menoval ďalší výskum, získavanie nových vedeckých výsledkov a vývoj originálnych návrhov systémov plyn-vzduch pre piestové spaľovacie motory. Ak budú moje výsledky užitočné pre priemysel, budem šťastný. Zo skúsenosti viem, že implementácia výsledkov je veľmi zložitý a prácny proces a ak sa do toho ponoríte, nezostane vám čas na vedu a výučbu. A viac inklinujem k oblasti vzdelávania a vedy, a nie k priemyslu a biznisuDocent na Uralskej federálnej univerzite pomenovaný po prvom prezidentovi Ruska B.N. Jeľcin“ (Uralská federálna univerzita)
Dodáva však, že proces implementácie výsledkov výskumu na energetických strojoch PJSC Uralmashzavod sa už začal. Tempo implementácie je stále nízke, všetka práca je v počiatočnej fáze a existuje len veľmi málo špecifík, ale podnik má záujem. Ostáva len dúfať, že výsledky tejto implementácie ešte uvidíme. A tiež, že práca vedcov nájde uplatnenie v domácom automobilovom priemysle.
Ako hodnotíte výsledky štúdie?
História vývoja ojnicových bezpiestových motorov navrhnutých S. Balandinom siaha do tridsiatych a štyridsiatych rokov minulého storočia, kedy v konštrukčnej kancelárii, kde autor pracoval, vzniklo niekoľko typov leteckých motorov s neobvyklým pohonným mechanizmom, odlišným od boli vyvinuté a postavené.
Ryža. 1
Ryža. 2
Základom pre začatie konštrukcie motora bol známy kinematický diagram obráteného elipsografu (obr. 1), ktorého trajektóriu bodov opisuje rovnica elipsy:
Kde r je polomer počiatočnej kružnice a d- súradnica ľubovoľného bodu m.
Všetky body ležiace na priamke A B opisujú elipsy, bod C opisuje kružnicu (ako špeciálny prípad elipsy), zatiaľ čo body A a B, ležiace na ploche D, vykonávajú vratný pohyb do 4r. Oblúk kruhu D sa valí bez skĺznutia pozdĺž oblúka E s dvojnásobným priemerom. Priviazaním krížových hláv s tiahlami a piestami do bodov ľubovoľne ležiacich na ploche D (napríklad do bodov A a B) a výstupného hriadeľa do bodu C získame bezkľukový mechanizmus, ktorý má jedno nadbytočné kinematické spojenie. Tie. na zabezpečenie priamosti trajektórií bodov A a B spojených medzi sebou a s bodom C kľuky OS tuhým článkom ASV stačí mať vodidlá len v jednom bode A alebo B (obr. 2). Takáto schéma je však neprijateľná vzhľadom na podmienky rozloženia síl pôsobiacich v mechanizme. Ak nainštalujete vedenie iba v bode A, potom keď sa uhol φ priblíži k 90° a 270°, zložky pôsobiace na bod A sily P sú bočná sila N = P tg φ a sila S = P/cos φ nasmerované pozdĺž osi AC - zvýšenie na neurčito, tendencia k nekonečnu. Preto zavedenie druhého vedenia do kinematického diagramu spĺňa podmienky prevádzkyschopnosti mechanizmu.
Vyššie uvedené zdôvodnenie patrí samotnému S. Balandinovi a v konečnom dôsledku určilo celý vývoj vývoja ojnicových motorov prvej generácie. Všetky skonštruované vzorky (vrátane tých od autora) boli založené na schéme s jednou redundantnou kinematickou väzbou.
Silový mechanizmus ojničného motora, ktorý navrhol S. Balandin, sa zdalo, že rýchlo vytlačí motory klasického usporiadania a strojárske podniky by ho s využitím vývoja leteckého priemyslu mohli bez problémov uviesť do sériovej výroby. V tom čase letectvo pevne ovládalo plynové turbíny a piestové motory ho prestali zaujímať.
Tu sa ukázalo, že pre všeobecné strojárstvo sú technológie, ktoré sú dostupné pre letecký priemysel, poskytované za príliš vysokú cenu. Vznikla otázka zmeny konštrukcie motora tak, aby vyhovovala existujúcim možnostiam existujúcich podnikov. Napriek zdanlivej jednoduchosti mechanizmus obsahoval nevyvinuté kinematické spojenia a pri aplikácii na tepelné motory boli zle študované, a preto boli zle predpovedané ich schopnosti. Len jedno nadbytočné kinematické spojenie v takom zložitom mechanizme, akým je spaľovací motor, spochybnilo celý jeho ďalší výkon. Navyše nebolo pochopené, ako sa tohto spojenia zbaviť, príslušný synchronizačný mechanizmus bol neoddeliteľnou súčasťou samotného motora. Dnes, šesťdesiat rokov po objavení sa prvého bezojničného motora, môžeme s istotou povedať (lepšie neskoro ako nikdy), že tento problém je úplne vyriešený.
Ryža. 3
1,2,3,4 - piesty; 5,6 - tyčové ložiská; 7,8-konzolový hriadeľ; 9,10,11,12 - ozubené kolesá synchronizačného mechanizmu; 13- kľukový hriadeľ; A, B, C, D - pohyblivé podpery.
Obrázok 3 zobrazuje typický kinematický diagram bezojničného motora S. Balandina. Je jasne viditeľné, že iba jeden planétový rotačný hriadeľ nahrádza všetky ojnice v silovom mechanizme. Hriadeľ je inštalovaný medzi dvoma konzolovými otočnými podperami, ktoré sú zase navzájom spojené prevodovým mechanizmom. Ide o univerzálny mechanizmus spájania piestov navrhnutý S. Balandinom a poskytujúci v zostavených vzorkách: malé rozmery a hmotnosť, vysoký obrat, racionálny obojsmerný pracovný proces vo valcoch, účinný chladiaci systém piestov a napokon , vysoká mechanická účinnosť, ktorej hodnota v niektorých prevádzkových režimoch motora dosahovala 94 % (u bežných spaľovacích motorov asi 85 %).
Po vydaní knihy S. Balandina „Connecting Rod-less ICE“ v rokoch 1968 a 1972 sa početné tímy inžinierov a množstvo tovární (ako Dagdizel, SKB „Sickle and Hammer“ atď.) začali pokúšať vybudovať motor jeho skopírovaním v pôvodnej alebo dokonca vylepšenej verzii. Proces návrhu a výroby sa spravidla uskutočňoval na základe výpočtov a metód navrhnutých autorom. Na rozdiel od očakávaní vo väčšine vyrobených vzoriek pri prvých otáčkach hriadeľa došlo k zaseknutiu hnacieho mechanizmu v skrini motora v dôsledku odierania piestov o povrch valca. Tí, ktorým sa podarilo navrhnúť a skonštruovať funkčný motor, zistili, že je vystavený intenzívnemu opotrebovaniu a vylamovaniu vodiacich líšt krížovej hlavy (pitting). Všetky pokusy bojovať proti tomuto javu boli neúspešné. Životnosť energetického mechanizmu bola určená niekoľkými hodinami prevádzky.
Neustále zlyhania vytvorili negatívny postoj vo vedeckej a dizajnérskej komunite k samotnej myšlienke vytvorenia ojničného motora tohto typu. Ukázalo sa, že nikto okrem samotného S. Balandina nedokázal vybudovať fungujúcu stavbu. Podľa samotného autora každý štvrtý motor, ktorý vyšiel z jeho konštrukčnej kancelárie naraz, zlyhal kvôli vyššie uvedeným problémom.
Pri spätnom pohľade na klasický kľukový mechanizmus bežného (kufrového) motora si všimneme, že napriek všetkým nedostatkom, ktoré má vysoká spoľahlivosť. Jeho dlhodobý výkon je daný skutočnosťou, že každá jednotlivá časť tohto motora je zaťažovaná symetricky. Tomu napomáha aj tuhé upevnenie kľukového hriadeľa v ložiskových podperách umiestnených na oboch stranách ojníc. To isté sa nedá povedať o motore S. Balandina (obr. 3), v ktorom každý piest (1-4) cez ojnicový (kľukový) čap (5,6) jednostranne spočíva na posuvnej krížovej hlave (A, B resp. C, D) a druhá strana na konzolovom hriadeli (7.8) vystavená ohybu. V súlade s tým 50% zaťaženia plynovými silami dopadá na podperu krížovej hlavy (rám motora sa nachádza pod ňou) a zvyšných 50% vníma „elastický prvok“ - aký druh spoľahlivosti je to?
V ťažkých motoroch S. Balandina sa tento problém čiastočne vyriešil umiestnením koncových čapov planétového hriadeľa do veľkopriemerových ložísk, pričom obvodové rýchlosti lícujúcich vonkajších plôch ložísk sa strojnásobili.
Ďalším nevyriešeným problémom bol systém prívodu oleja do trecích plôch ojničných ložísk motora. Ak teda koncové ložiská konzolových podpier A a D pracujú v podmienkach hydrodynamického kvapalinového mazania, potom nie je možné vytvoriť podobné prevádzkové podmienky pre krížové hlavy B a C, ktoré sa zastavia dvakrát počas jednej otáčky hriadeľa; takéto ložiská môžu fungovať iba ako hydrostatické podpery, t.j. podliehajú úplne inej teórii mazania, nevytvára hydrodynamický olejový klin medzi dosadacími rovinami a potrebuje sledovať neustále sa meniace podmienky pre udržiavanie krížovej hlavy nad nosnými plochami. Vyššie uvedené len vysvetľuje, že na mazanie jednej časti sa používajú zásadne odlišné systémy mazania. Čo nie je dobré. A ak túto prekážku nemožno prekonať, potom je potrebné vyrobiť ložiská patriace k spoločnému hriadeľu a vykonávajúce rovnaké funkcie aspoň rovnakého typu.
Hlavným dôvodom, prečo sa uvažovaná kinematická schéma prakticky neuplatnila, je, že je zložitejšia ako konvenčný kľukový mechanizmus. Okrem hlavných prvkov výkonový mechanizmus využíva dodatočné synchronizačné hriadele spojené s hlavným hriadeľom pomocou ozubených kolies. Veľký počet spojovacích prvkov vyžaduje vysokú technologickú úroveň ich výroby. Zapojené do série tvoria ozubené kolesá synchronizačného mechanizmu (9-12) dlhú rozmerovú reťaz. Hodnota jeho celkovej tolerancie musí byť menšia ako hodnota priemerovej vôle jedného z vonkajších ložísk planétového hriadeľa, inak nie je možné zabezpečiť synchrónne otáčanie pravej a ľavej polovice. Splniť túto toleranciu je technologicky náročné (bolo to rozoberané na začiatku článku).
Ďalšia časť je venovaná silovým mechanizmom novej generácie, kde je „synchronizačný mechanizmus“ nahradený „synchronizačnými čapmi“, ktoré umožňujú u bezkľukového motora upustiť od prílišnej kinematickej väzby, čím sa tento smer vlastne končí. .
Ryža. 4
P - sila tlaku plynu; N - bočná sila; S je sila smerujúca pozdĺž osi ASV; 1,2,3,4 - piest; 5,6 - pracovný kríž; 7,8 - synchronizačný kríž; I, II - synchronizačný krk; α je vzdialenosť medzi stredmi susedných čapov kľukového hriadeľa; A, B, A, B" - podpery.
Ako je možné vidieť z obr. 4, obvod už neobsahuje známy synchronizačný mechanizmus, namiesto toho má teraz planétový rotačný kľukový hriadeľ svoje vlastné planétové ložiská schopné vykonávať rovnaké funkcie ako konvenčné ložiská pre rotačné hriadele. Sú umiestnené pozdĺž okrajov hriadeľa a sú schopné poskytnúť všetkým jeho bodom synchrónnu orbitálnu rotáciu pozdĺž danej trajektórie. Na to je potrebné pridať dva ďalšie čapy (I a II, pozri obr. 4) k uvažovanému planétovému hriadeľu konštrukcie S. Balandina so súčasným opustením prebytočného kinematického spojenia v bode C (bod, ktorý bol predtým pevne spojený s výstupný hriadeľ) a vylúčenie a bez jeho vyhodenia z napájacieho obvodu ojničného mechanizmu. Dve nové vodiace lišty krížovej hlavy A" a B" sú nainštalované pod prídavnými čapmi hriadeľa zrkadlovo k A a B. Teraz každý pracovný piest dostane dve identické pohyblivé podpery, umiestnené v rovnakých vzdialenostiach od neho doprava a doľava. Jedna z podpier (A, B) môže niesť susedný pracovný piest, druhá (A, B") zabraňuje deformáciám planétového hriadeľa a zabezpečuje jeho synchronizáciu. Toto usporiadanie umožňuje upustiť od synchronizačného mechanizmu, pozostávajúceho zo spojovacieho hriadeľa a sústavy ozubených kolies, keďže úplnú synchronizáciu hriadeľa zabezpečuje jeho vlastná konštrukcia.
V novo zostavenom bezojnicovom motore obsahuje planétový rotačný hriadeľ spájajúci piesty ako predtým pracovné čapy spojené s piestnicami, ktoré sa pohybujú vždy v priamom smere. Na tele takého hriadeľa sú osi, ktoré sa pohybujú po kruhovej dráhe (pri prvom priblížení sú to kruhy), takže sa najjednoduchšie pripájajú k vývodovému hriadeľu, napríklad k pohonu. Ak k takémuto hriadeľu, ktorý obsahuje pracovné čapy a vývodové čapy (I, II) pridáme dva ďalšie čapy (I, II) a nazveme ich „synchronizačné“, potom každý pracovný čap spárovaný so synchronizačným čapom tvorí jedno planétové ložisko, a dva páry ložísk tvoria celonosný hriadeľ (9) s dvoma stupňami voľnosti, rotáciou okolo vlastnej osi a zároveň planétovou rotáciou. Potom sa charakter zaťaženia hriadeľa vždy stane symetrickým a samotný kľukový hriadeľ dostane príležitosť samozarovnať sa v podperách. Okrem toho je každá planétová podpera nakonfigurovaná tak, aby udeľovala vratný pohyb susedným nosným čapom v pretínajúcich sa smeroch. To zaisťuje stabilitu planétového hriadeľa v akomkoľvek bode jeho orbitálnej rotácie.
Ako príklad je na obr. 4 znázornený aj diagram silového pôsobenia plynov (P) na piesty motora a charakter zaťaženia podpier ložísk. Piesty s tyčami 1 a 3 používajú krížovú hlavu 6 z piestov 2 a 4 ako podperu a synchronizačnú krížovú hlavu 7. Piesty 2 a 4 používajú na podopretie krížové hlavy 5 a 8, z ktorých krížová hlava 8 je synchronizačná. Výsledkom je, že v okamihu zapálenia horľavej zmesi v ktoromkoľvek zo štyroch valcov motora sú krížové hlavy 6 a 7 alebo 5 a 8 rovnako vzdialené od pracovného piestu zaťažené rovnakým dielom. Pri tomto usporiadaní sú koncové čapy planétového hriadeľa úplne odstránené z oblasti pôsobenia síl plynu a prenášajú iba krútiaci moment na vývodový hriadeľ, ktorý nie je zahrnutý v silovom obvode mechanizmu.
Uveďme niekoľko ďalších príkladov vysvetľujúcich princípy symetrie pri aplikácii na uvažované bezkľukové mechanizmy.
Ryža. 5
Schéma motora s protiľahlou ojnicou:
1,2,3,4 - piesty; 5 - kľukový hriadeľ; 6,7 - protizávažia; 8.9- vývodový hriadeľ(e); 10,11 - pracovné krížové hlavy; 12,13,14 - synchronizačné krížové hlavy; I, II, III - synchronizačné krky.
Najlepším príkladom je kinematický diagram protiľahlého bezpiestového motora (obr. 5). Na rozdiel od štvorvalcových motorov v tvare kríža (obr. 4) tu dochádza k striedaniu výkonových zdvihov rovnomerne, každých 180° pozdĺž uhla natočenia kľukového hriadeľa. Konštrukcia silového mechanizmu obsahuje: štyri pracovné piesty s tyčami (1-4), dva pracovné krížové hlavy (10,11), tri synchronizačné krížové hlavy (12.13,14). Menované prvky spája spoločný kľukový hriadeľ(5) a sú umiestnené na jeho piatich hrdlách. Šiesty a siedmy čap hriadeľa (5) sú určené na inštaláciu protizávaží (6,7) a prenos krútiaceho momentu na vývodový hriadeľ (8 alebo 9). Z obr. 5 je zrejmé, že každý pracovný piest na oboch stranách a v rovnakých vzdialenostiach má synchronizačné krížové hlavy (12, 13, 14). IN motor boxer vykonávajú tieto funkcie:
- Spolu s pracovnými krížovými hlavami zabezpečujú synchronizáciu kľukového hriadeľa.
- Preberajú hlavné zaťaženie plynovými silami, pričom oddeľujú krížové hlavy pracovných valcov od „rázového“ zaťaženia v okamihu zapálenia horľavých plynov v susedných valcoch.
- Pôsobia ako protiváhy na vyváženie všetkých hmôt.
Uvažovaný mechanizmus má široké kinematické schopnosti a je dokonale vyvážený. A toto je jediný typ bezojničného motora, v ktorom môžu byť posúvače synchronizačnej krížovej hlavy nahradené alternatívnymi skupinami ojníc (obr. 6).
Ryža. 6
1,2,3,4-piesty; 5,6 - pracovné krížové hlavy; 7,8,9 - ojnica; 10 - kľukový hriadeľ; I, II, III - synchronizačné krky.
V tomto prípade postačujúcou podmienkou na zabezpečenie synchronizácie hriadeľa (10) bude úplné zarovnanie kinematických párov, ktoré sa pri premietnutí do roviny XOU navzájom duplikujú. Tu, ako v predchádzajúcom príklade, sa pracovné krížové hlavy (5,6) patriace piestom (1-4) pohybujú v priamke. Ojnice (7, 8, 9) synchronizačných čapov (I, II, III) majú spoločnú os výkyvu. Vývojové práce na implementácii demontovaného kinematického diagramu je možné výrazne obmedziť najmä vďaka jeho maximálnemu zjednoteniu s elementovou základňou kufrových spaľovacích motorov. Vo všeobecnosti sa všetky kinematické schémy riadia jedným pravidlom: k akémukoľvek vopred určenému počtu pracovných čapov musia byť na koncoch hriadeľa pridané aspoň dva synchronizačné čapy. Z tohto pravidla existuje jedna výnimka - kinematická schéma, v ktorej sa všetky pracovné žurnály súčasne synchronizujú (obr. 7).
Ryža. 7
1,2,3,4 - piesty; 5 - kľukový hriadeľ; 6,7 - protizávažia; 8.9- vývodový hriadeľ(e); 10,11,12 - pracovné synchronizačné krížové hlavy, 13,14 - dvojčatá.
Kľukový hriadeľ (10) je tvorený iba piatimi čapmi. Dva vonkajšie čapy hriadeľa sú navrhnuté tak, aby prenášali krútiaci moment a inštalovali na ne protizávažia (6,7). Zvyšné žurnály sú vyplnené krížovými hlavami (10,11,12). Krížové hlavy 11 a 12 sú navzájom spojené dvojicami (13, 14), na ktorých sú inštalované piesty 1 a 2. Stredový čap hriadeľa s krížovou hlavou 10 je spojený tyčami s ďalšou dvojicou piestov (3, 4). Dráhy súprav piestov 1,2 a 3,4 sa pretínajú. Počas pracovného zdvihu piest 3 (alebo 4) v spojení s krížovou hlavou 10 spočíva na krížových hlavách 11 a 12, ktoré v tomto okamihu vykonávajú synchronizačné funkcie. Keď piest vykoná pracovný zdvih 1 (alebo 2) spolu s teraz pracujúcimi krížovými hlavami 11 a 12, oporná krížová hlava 10 sa synchronizuje. A tak ďalej v kruhu do nekonečna. Rovina pôsobenia síl plynu v takomto mechanizme bude vždy uzavretá tromi stredovými čapmi hriadeľa.
Toto konštrukčné riešenie umožňuje umiestnenie štyroch pracovných valcov v rovnakej rovine s minimálnou dĺžkou a maximálnou tuhosťou kľukového hriadeľa. Celkový počet trecích párov v motore je znížený dvoj- až trojnásobne v porovnaní so spaľovacím motorom uloženým v kufri!!! Tu, rovnako ako v predchádzajúcich revidovaných diagramoch, kľukový hriadeľ spĺňa všetky nevyhnutné podmienky symetrické zaťaženie (viac podrobností nájdete v odbornom časopise "Dvigatelestroyeniye" č. 3 pre rok 1998 a č. 1 pre rok 2000).
Vyššie uvedený popis tvrdí, že je len krátkym sprievodcom pre tých, ktorí sa zaujímajú o spojovacie bezpiestové motory a chceli by si to vyskúšať. A hoci mu chýbajú „rôzne detaily“, bez ktorých je takmer nemožné postaviť pracovný stroj, vyššie uvedená analýza pomôže vyhnúť sa zjavným chybám, plytvaniu časom a peniazmi.
A na záver uvádzame hlavné výhody, ktoré majú bezkľukové spaľovacie motory:
- Usporiadanie motora bez kľuky umožňuje výrazné zníženie objemu motorový priestor z dôvodu racionálneho usporiadania komponentov a častí motora.
- Vzájomná kombinácia síl plynu a zotrvačných síl vedie k výraznému zníženiu výsledných síl zaťažujúcich kinematické väzby, čo umožňuje zvýšiť mechanickú účinnosť motora.
- Motor je čiastočne alebo úplne oslobodený od rotujúceho zotrvačníka, pretože pohyblivé hmoty piestov s krížovými hlavami tvoria jeden progresívne sa pohybujúci zotrvačník.
- Pri bezojničnom motore platí, že čím väčšia je hmotnosť piestov s ojnicami a krížovými hlavami, tým vyššie otáčky motora (v určitých medziach), tým menšie zaťaženie ložísk, pri kufrovom motore je to naopak.
- Počet funkcií priradených pracovným piestom sa znižuje (piesty prestávajú byť trecími pármi), a preto sa zvyšuje spoľahlivosť ich činnosti.
- Pracovný proces v motore je možné organizovať na oboch stranách pracovného piesta alebo využiť podpiestový priestor na preplňovanie kompresora.
- Systém chladenia piestov je možné vylepšiť čerpaním oleja cez piestne tyče a piesty, aby sa účinne chladili.
- Pre priamočiaro sa pohybujúce piesty je možné použiť labyrintový typ tesnenia s úplným alebo čiastočným odmietnutím piestnych krúžkov.
K tomu, čo bolo povedané, treba dodať, že ako každý piestový stroj, aj ojnicový motor má množstvo obmedzení, ktoré bránia zvyšovaniu jeho otáčok. To zahŕňa rozvod plynu, pričom v ňom vznikajú značné zotrvačné sily vratným pohybom ventilov; a vysoký odpor cesty plyn-vzduch, obmedzujúci plnenie pracovných objemov motora horľavou zmesou; a tepelné namáhanie, ktoré neustále ohrozuje motor prehrievaním a v naftovej konfigurácii sú aj obmedzenia spojené so zariadením na prívod paliva.
To je zrejmé motora vnútorné spaľovanie nie je dostatočne ekonomický a v podstate má nízka účinnosť. To núti vedcov hľadať alternatívy – najmä vytvoriť cenovo dostupnú elektrickú alebo vodíkovú dopravu. Najnovší vývoj však ukazuje, že spaľovacie motory sa dajú vyrobiť skutočne efektívne. Ako je to realizovateľné a čo v súčasnosti bráni použitiu takýchto technológií v praxi?
Motor s vnútorným spaľovaním bez preháňania roztočil motor vedecko-technického pokroku. Cestná doprava je najdôležitejším prostriedkom prepravy osôb a tovaru. V USA je dnes takmer 800 áut na 1 000 ľudí a do roku 2020 v Rusku bude toto číslo asi 350 áut na tisíc obyvateľov.
Prevažná väčšina z viac ako jednej miliardy áut na planéte stále používa spaľovací motor (ICE), vynájdený v 19. storočí. Napriek všetkým technologickým trikom a „inteligentnej“ elektronike koeficient užitočná akcia moderné benzínové motory sa stále pohybuje okolo hranice 30 %.
Najhospodárnejšie naftové spaľovacie motory majú účinnosť 50 %, to znamená, že aj tie vypúšťajú do ovzdušia polovicu paliva ako škodlivé látky.
O účinnosti spaľovacích motorov sa, najmä vzhľadom na to, samozrejme baviť netreba moderné autá Na 100 km jazdy spália 10–20 litrov paliva. Nie je prekvapujúce, že vedci z celého sveta sa snažia vytvoriť cenovo dostupné elektrické a vodíkové autá. Koncepcia spaľovacieho motora však nevyčerpala možnosti modernizácie.
Vďaka nedávnemu pokroku v elektronike a materiáloch bolo možné vytvoriť skutočne účinný spaľovací motor.
Ekomotor
Firemní inžinieri EcoMotors International kreatívne prepracoval dizajn tradičného spaľovacieho motora. Ponechal si však piesty, ojnice, kľukový hriadeľ a zotrvačník nový motor O 15–20 % efektívnejšie a oveľa jednoduchšie a lacnejšie na výrobu. V tomto prípade môže motor fungovať na niekoľko druhov palív vrátane benzínu, nafty a etanolu.
Ryža. 1. Celkovo má motor EcoMotors elegantný jednoduchý dizajn, ktorý má o 50 % menej dielov ako bežný motor.
Dosiahlo sa to použitím protiľahlej konštrukcie motora, v ktorom je spaľovací priestor tvorený dvoma piestami pohybujúcimi sa k sebe.. V tomto prípade je motor dvojtaktný a pozostáva z dvoch modulov po 4 piesty, ktoré sú spojené špeciálnou elektronicky riadenou spojkou.
Motor je plne elektronicky riadený, vďaka čomu bolo možné dosiahnuť vysokú účinnosť a minimálny prietok palivo. Napríklad v dopravnej zápche a iných prípadoch, keď nie je potrebný plný výkon motora, funguje len jeden z dvoch modulov, čo znižuje spotrebu paliva a hluk.
Motor je vybavený aj elektronicky riadeným turbodúchadlom, ktorý využíva energiu výfukové plyny a vyrába elektrinu. Celkovo má motor EcoMotors elegantný, jednoduchý dizajn s o 50 % menej dielov ako bežný motor. Nemá blok hlavy valcov, je vyrobený z konvenčných materiálov a produkuje menej hluku a vibrácií.
Zároveň sa ukázalo, že motor je veľmi ľahký: na 1 kg hmotnosti produkuje viac ako 1 hp (v praxi je približne 2-krát ľahší ako tradičný motor s rovnakým výkonom). Okrem toho je produkt EcoMotors ľahko škálovateľný: stačí pridať niekoľko modulov a motor malého auta sa zmení na výkonný motor nákladného auta.
Experimentálny motor EcoMotors EM100 s rozmermi 57,9 x 104,9 x 47 cm váži 134 kg a produkuje 325 k. pri 3 500 ot./min (nafta), priemer valca - 100 mm. Spotreba paliva päťmiestneho auta s motorom EcoMotors je plánovaná ako extrémne nízka - na úrovni 3-4 litrov na 100 km.
Úspory vo všetkom
Achates Power si dal za cieľ vyvinúť spaľovací motor so spotrebou paliva 3–4,5 litra na 100 km pre auto o veľkosti Ford Fiesta. Ich experimentálny naftový motor zatiaľ prejavuje oveľa väčší apetít, no vývojári dúfajú v zníženie spotreby. Avšak hlavná vec v tomto motore – extrémne jednoduchý dizajn a nízke náklady. Súhlasíme s tým, že úspora paliva nestojí za veľa, ak je to za cenu niekoľkonásobného zvýšenia ceny motora.
Ryža. 2. Motor Achates Power má mimoriadne jednoduchý dizajn.
Motor Achates Power má mimoriadne jednoduchý dizajn. Je to dvojtaktný boxer naftový motor, v ktorom sa dva piesty pohybujú k sebe a vytvárajú spaľovaciu komoru. Tým odpadá potreba hlavy valcov a zložitého mechanizmu distribúcie plynu. Väčšina častí motora sa vyrába pomocou jednoduchých výrobných procesov a nevyžaduje drahé materiály. Celkovo motor obsahuje oveľa menej dielov a kovu ako bežný motor.
V súčasnosti testovaný motor Achates Power vykazuje o 21 % vyššiu účinnosť ako najlepšie „tradičné“ dieselové motory. Navyše má modulárny dizajn, vysokú hustotu výkonu (pomer hmotnosť/hp). Taktiež vďaka špeciálnemu tvaru hornej časti piestu vzniká špeciálne tvarované vírové prúdenie, ktoré zaisťuje vynikajúce premiešanie zmesi vzduchu a paliva, efektívny odvod tepla a skracuje dobu horenia.
Výsledkom je, že motor nielenže spĺňa vojenské špecifikácie americkej armády, ale prekonáva aj motory, ktoré sa dnes nachádzajú na vojenských vozidlách.
Ľahká cesta
americká spoločnosť Transsonické spaľovanie sa rozhodol nevytvoriť nový motor, ale dosiahnuť pôsobivú (25–30 %) úsporu paliva použitím nový systém injekciou
High-tech vstrekovací systém TSCiTM nevyžaduje radikálne úpravy motora a v podstate ide o sadu vstrekovačov a špeciálneho palivového čerpadla.
Ryža. 3. Použitie spaľovacieho procesu TSCiTM priame vstrekovanie benzín vo forme superkritickej tekutiny a špeciálny zapaľovací systém.
Spaľovací proces TSCiTM využíva priame vstrekovanie superkritického tekutého benzínu a špeciálny zapaľovací systém.
Superkritická tekutina – je stav látky pri určitej teplote a tlaku, keď nie je ani tuhá látka, ani kvapalina, ani plyn. V tomto stave látka získava zaujímavé vlastnosti, napríklad nemá povrchové napätie a pri fázovom prechode vytvára jemné častice. Okrem toho má superkritická tekutina schopnosť rýchlo prenášať hmotu. Všetky tieto vlastnosti sú mimoriadne užitočné v spaľovacom motore, najmä superkritické palivo sa rýchlo mieša, nemá veľké kvapky, rýchlo horí s optimálnym uvoľňovaním tepla a vysokou účinnosťou cyklu.
Elektronický ventil
Spoločnosť Technológie motora Grálu vyvinul unikát dvojtaktný motor s veľmi atraktívnymi vlastnosťami.
Takže pri spotrebe 3-4 litrov na „sto“ motor produkuje 200 koní. Motor s výkonom 100 koní. váži menej ako 20 kg a má výkon 5 koní. – len 11 kg! V rovnakej dobe, Grail Engine, na rozdiel od konvenčných dvojtaktné motory, neznečisťuje palivo olejom z kľukovej skrine, čo znamená, že spĺňa najprísnejšie ekologické normy.
Samotný motor pozostáva z jednoduchých častí, väčšinou vyrobených odlievaním. Tajomstvo jeho vynikajúceho výkonu spočíva v spôsobe fungovania motora Grálu. Pri pohybe piestu nahor vzniká v spodnej časti podtlak vzduchu a vzduch preniká do spaľovacej komory cez špeciálny ventil z uhlíkových vlákien. V určitom bode pohybu piestu začne prúdiť palivo top mŕtvy bod, pomocou troch klasických elektrických zapaľovacích sviečok sa zapáli zmes paliva a vzduchu, ventil v pieste sa uzavrie. Piest ide dole, valec je naplnený výfukovými plynmi. Po dosiahnutí dolnej úvrate sa piest začne opäť pohybovať nahor, prúd vzduchu odvetrá spaľovaciu komoru, vytlačí výfukové plyny a pracovný cyklus sa opakuje.
Ryža. 4. Tajomstvo jeho vynikajúceho výkonu spočíva v prevádzkovom dizajne motora Grálu.
Kompaktný a výkonný motor Grálu ideálne pre hybridné autá kde je benzin nový motor generuje elektrinu a elektromotory otáčajú kolesá.
V takomto stroji bude Motor Grálu pracovať v optimálnom režime bez náhlych prepätí, čo výrazne zvýši jeho odolnosť, zníži hlučnosť a spotrebu paliva. Modulárna konštrukcia zároveň umožňuje pripojenie dvoch alebo viacerých jednovalcových motorov Grálu k spoločnému kľukovému hriadeľu, čo umožňuje vytvárať radové motory s rôznym výkonom.
Každý rok sa objavujú nové modely áut - z nejakého dôvodu však nemajú vyššie opísané ekonomické a jednoduché motory. Pravdaže, motory nový dizajn Zaujímajú sa všetci: od všadeprítomného investora Billa Gatesa až po Pentagon. Automobilky sa však s inštaláciou nových produktov na svoje autá neponáhľajú. Zdá sa, že celá pointa je v tom veľké automobilky Vyrábajú motory sami a prirodzene sa nechcú deliť o zisky s vývojármi tretích strán.
Ale aj tak ťažké environmentálnych noriem a elektrické vozidlá prinútia automobilky zaviesť nové technológie, ktoré sú pre zdravie ľudí a celej planéty oveľa dôležitejšie ako multimediálne systémy a dizajnové pôžitky.
Nové technológie sú zamerané na zefektívnenie spaľovacích motorov. V predchádzajúcich rokoch sa stali všadeprítomnými a v budúcnosti sa stanú „inteligentnými“. Bohužiaľ, zatiaľ nemajú vysokú účinnosť a nie sú ekonomické. Ale pomocou najnovších pokrokov v materiáloch a elektronike je celkom možné tieto nedostatky napraviť.
Automobilový koncern Mazda často ponúka zaujímavé inovatívne riešenia. Jedným z problémov, ktoré sa rozhodol riešiť, bola spotreba paliva. Spoločnosť vyvinula nové motory Skyactiv-G. Subkompaktné autá sa už plánujú vyrábať. autá značky Mazda 2 nimi vybavené. Majú najvyšší kompresný pomer, čo zlepšuje spotrebu paliva. Priemerná spotreba benzínu bude podľa vývojárov približne 3 litre na sto kilometrov.
Elektronický ventil
Tento dvojtaktný motor vyvinula spoločnosť Grail Engine Technologies Corporation. Je vyrobený z jednoduchých dielov vyrobených odlievaním.
Výhody:
- vyrobené v súlade s environmentálnymi normami;
- pri spotrebe od troch do štyroch litrov na „sto“ produkuje 200 koní;
- Môže byť inštalovaný na hybridné vozidlá.
Lasery
Nové technológie v spaľovacích motoroch sa stali možnými s príchodom laserov. Štandardné zapaľovacie sviečky majú vážny problém. Vyžaduje silnú iskru, ale v tomto prípade sa elektródy rýchlo opotrebujú. Tento problém je možné vyriešiť použitím laserov na zapálenie paliva. Majú tú výhodu, že umožňujú nastaviť dôležité parametre: uhol zapaľovania a výkon.
Vedci vyvinuli keramické lasery d 9 mm. Pasujú na drvivú väčšinu motorov.
Pinnacle
Jedným zo sľubných pokrokov sú motory Pinnacle, v ktorých sú piesty umiestnené oproti sebe a sú v tom istom valci. Medzi nimi sa zapáli palivo. Toto usporiadanie výrazne šetrí energiu a zvyšuje účinnosť motora. Zároveň náklady pohonná jednotka dosť nízka.
Tieto motory sa zásadne líšia od bežných modelov boxerov používaných všade.
Iris
Ide o dvojtaktný motor s variabilnou geometriou a plochou piestov. Je ľahký a kompaktný a jeho účinnosť je 45%.
Vynálezca Iris Timber Dick prišiel s konceptom so šiestimi piestami s trojnásobne väčšou využiteľnou plochou oproti štandardnému páru. Každý piest je oceľový, zakrivený okvetný lístok.
Pracovný algoritmus:
- prietok vzduchu cez spaľovaciu komoru;
- uzavretie okvetných lístkov smerom k stredu komory a stlačenie vzduchu;
- pohyb piestov a otáčanie hriadeľov;
- vstrekovanie paliva a zapaľovanie;
- otváranie výfukových ventilov.
Oddelenie radiátora
Zvláštnosťou novinky je, že motor je chladičom rozdelený na dve časti. Nasávanie a stláčanie paliva sa vykonáva v studených valcoch a spaľovanie a výfuk plynov sa vykonáva v horúcich. Pri tejto prevádzke jednotky sa dosiahne úspora asi 40 %. Vedci stále zdokonaľujú a zdokonaľujú tento systém dosiahnuť ešte väčšie úspory (až 50 %).
Scuderi
Tento Air-Hybrid motor s deleným cyklom bol vyvinutý americkou spoločnosťou Scuderi Group. V porovnaní s konvenčnými analógmi je to ekonomickejšie. Zamestnanci spoločnosti očakávajú, že ich vynález bude skutočným prelomom. Dostali na to už aj patent. Pre čo najefektívnejšie využitie energie rozdeľuje 4 štandardné piestové valce na pracovné a pomocné. Deje sa tak s cieľom rozumne využiť energiu, ktorú vygenerujú. Funkčný mechanizmus je založený na spojení dvoch valcov pomocou špeciálneho kanála. Ďalej sa do druhého valca vstrekuje stlačený vzduch, po ktorom nasleduje zapálenie zmesi vzduch-palivo a výfuk.
Ekomotor
Spoločnosť Eco Motors International prepracovala spaľovací motor kreatívnym spôsobom. Ukázalo sa, že je to dvojtaktný, s elegantným a jednoduchým dizajnom. Dvojica modulov (každý štyri piesty) je spojená spojkou a je ovládaná elektronicky.
Turbodúchadlo využíva energiu výfukových plynov a podieľa sa na výrobe elektriny.
Výhody:
- ľahkosť;
- nízka spotreba paliva;
- nízke výrobné náklady;
- škálovateľnosť (pridaním niekoľkých modulov sa motor malého auta zmení na motor nákladného auta).
Motor môže pracovať na benzín, naftu, etanol.
Rotačné motory
Americkí vedci vyvíjajú ďalšiu zaujímavú novinku v automobilovom motore. Jeho zdroje budú vyššie ako zdroje konvenčných modelov. Mechanizmus akcie:
- Získavanie energie pod vplyvom tlakových vĺn.
- Rotácia rotora, prechod paliva cez kanály.
- Vznik rázovej vlny.
- Zapaľovanie a výfuk výfukových plynov.
V roku 2018 vedci pokračujú v hľadaní nových technológií na výrobu ekonomických a ekologických modelov spaľovacích motorov. Mnohé projekty sú stále vo fáze vývoja a čakajú na financovanie.
Dieselový motor so štyrmi turbínami, prvý motor na svete s elektrickým kompresorom a revolučná jednotka, ktorá dokáže vdýchnuť nový život spaľovaciemu motoru: „Motor“ predstavuje prehľad elektrární s najinovatívnejšími riešeniami, ktoré sa ukázali za posledných pár mesiacov .
Od začiatku roka 2016 sme predvádzali pôsobivo navrhnuté vznetové motory pre vlajkový model BMW a „nabitú“ verziu Audi Q7, maloobjemové, ale veľmi „inteligentné“ benzínový motor Volkswagen, G8 pre novú Panameru a nezvyčajný produkt spolupráce medzi Koenigseggom a Číňanmi z Qorosu.
Čo majú spoločné BMW 7 a superauto Bugatti Veyron? Počet turbín v motore! Túto jar dostala bavorská vlajková loď nový naftový agregát: objem troch litrov, šesť valcov a štyri kompresory. Štyri! Nejde len o prvý sériovo vyrábaný ťažký palivový motor v histórii s toľkými turbínami, ale aj o najvýkonnejšiu naftovú „šestku“ na svete.
Motor vyvinie 400 Konská sila 760 Nm krútiaceho momentu – 19 koní a o 20 Nm viac ako predchádzajúci agregát s tromi kompresormi. Motor, spárovaný s osemstupňovou automatickou prevodovkou, umožňuje „sedmičke“ zrýchliť z nuly na sto kilometrov za hodinu za 4,6 sekundy (sedan s dlhým rázvorom urobí to isté za 4,7 sekundy) – o 0,3 sekundy rýchlejšie ako jeho predchodca . Ale dizajn tohto motora pravdepodobne obsahuje oveľa väčší potenciál.
Viacstupňový systém preplňovania tohto motora tvoria dva kompresory s nízkou zotrvačnosťou vysoký tlak inštalované v jednej jednotke, ako aj dva kompaktné kompresory nízky tlak. Všetky turbíny sa aktivujú sekvenčne, pričom druhý vysokotlakový kompresor sa aktivuje len pri náhlom zrýchlení a len pri otáčkach kľukového hriadeľa nad 2500 ot./min.
Ukázalo sa, že nový agregát je o niečo ľahší a má väčší krútiaci moment: prvých 450 Nm krútiaceho momentu je dostupných už od 1000 otáčok za minútu a na poličku 760 Nm motor dosahuje v rozmedzí od 2000 do 3000 otáčok.
Dodatočná nízkotlaková turbína umožnila nielen zvýšiť výkon motora, ale aj zvýšiť spotrebu paliva o 11 percent – až na 5,7 – 5,9 litra na sto kilometrov.
Volkswagen na sympóziu vo Viedni predstavil novú 1,5-litrovú „turboštvorku“, ktorá nahradí súčasný 1,4-litrový preplňovaný agregát. Hlavnou inováciou tohto motora je turbína s variabilnou geometriou obežného kolesa, ktorá sa po prvý raz na svete objaví na masové modely so spaľovacím motorom so zážihovým zapaľovaním.
Kompresory s premenlivou geometriou od značiek Peugeot, Citroen, Honda a Chrysler sa používajú od konca osemdesiatych rokov minulého storočia, ale táto technológia je teraz obmedzená na šport a superšportové autá, ako je Porsche 911 Turbo, ako aj na nové štvorkolky s turbodúchadlom 718 Cayman a 718 Boxster. . No v dieselové jednotky, samozrejme.
Zvláštnosťou takéhoto turbodúchadla je prstenec so špeciálnymi vodiacimi plátkami, ktoré môžu meniť svoj uhol, aby sa optimalizoval výkon turbíny pri špecifickom zaťažení. Možnosť zmeny prierezu zvyšuje výkon, zlepšuje odozvu motora a znižuje spotrebu paliva. Maximálny krútiaci moment sa dosahuje pri nižších otáčkach a je k dispozícii v širšom rozsahu v porovnaní s motormi s tradičným kompresorom.
Jedným z prvých modelov, ktoré dostali motor s turbínou s variabilnou geometriou obežného kolesa, bol v roku 1989 malometrážny hatchback Shelby CSX-VNT.
Nový 1,5-litrový agregát bude ponúkaný v dvoch výkonových variantoch: 131 a 150 koní. Maximálny krútiaci moment základného motora 200 Nm sa dosahuje už pri 1300 ot./min a je k dispozícii až pri 4500 ot./min.
Ďalšou novinkou je, že tento motor bude pracovať v Millerovom cykle, v ktorom na začiatku kompresného cyklu zostáva sací ventil nejaký čas otvorený a zatvára sa o niečo neskôr ako pri štandardných motoroch. V dôsledku toho sa geometrický kompresný pomer zvýšil z 10,5:1 v predchádzajúcom motore na 12,5:1.
Okrem toho nová „štvorka“ dostala systém deaktivácie valcov, ktorý pri nízkej záťaži vypína dva z nich, vylepšený systém vstrekovania paliva so zvýšeným tlakom na 350 barov, úplne novú hlavu valcov a elektronicky riadený chladiaci systém.
„Dieselgate“ ešte neutíchla a Audi malo novú štvorlitrovú „osmičku“ s výkonom 435 koní s trojitým preplňovaním, ktorá debutovala na „nabitom“ SUV SQ7. Dve tradičné turbíny sú spárované s elektricky poháňaným kompresorom. Podobná schéma bola použitá na výrobné auto najprv.
Kompresor roztáča 7-kilowattový (9,5 konských síl) elektromotor, ktorý zrýchli rotor na 70 tisíc otáčok len za štvrť sekundy, čím sa vyhne oneskoreniu turba. Elektromotor je poháňaný samostatným 48-voltovým elektrickým systémom a lítium-iónovou batériou umiestnenou pod kufrom „nabitého“ crossoveru.
Nový je aj samotný štvorlitrový motor V8. Turbodúchadlá sú tu umiestnené v odklone bloku valcov a pracujú v dvojstupňovom režime. Pri nízkych a stredných otáčkach systém ventilového zdvihu otvorí jeden z dvoch výfukových ventilov v každom valci, čím roztočí prvú turbínu. Keď sa zaťaženie zvýši (2200-2700 ot./min), elektronika otvorí druhý výfukový ventil a aktivuje sa ďalší kompresor. Elektrický kompresor pracuje úplne dole.
Výsledkom je, že štvorlitrový agregát vyvinie výkon 435 koní a maximálny krútiaci moment 900 Nm je k dispozícii v rozmedzí 1000-3250 otáčok. Motor v spolupráci s osemstupňovou automatickou prevodovkou umožňuje sedemmiestnemu SUV dosiahnuť „stovky“ za 4,8 sekundy. Maximálna rýchlosť je elektronicky obmedzená na 250 kilometrov za hodinu.
Nový motor Audi sa v budúcnosti objaví na ďalších modeloch Volkswagen, vrátane novinky Porsche Panamera a Cayenne, ako aj naftovú úpravu Bentley Bentayga.
Ďalší „globálny“ motor, ktorý bude prvýkrát debutovať v Porsche Panamera Turbo a Cayenne Turboďalšej generácie a následne sa dostane k modelom Audi, Bentley a dokonca aj Lamborghini. Ide o najnovší štvorlitrový twin-turbo motor V8, ktorý nahradí súčasnú 4,8-litrovú turbo-osmičku.
Zníženie pracovného objemu, okrem zjednotenia s ostatnými elektrárne Volkswagen Group umožní vlajkovým modelom Porsche – Panamera Turbo a Cayenne Turbo – obísť zvýšenú daň na autá s motorom nad štyri litre platnú v Číne.
V základnej verzii vyvinie nový motor výkon 550 koní a krútiaci moment 770 Nm, čo je o 30 koní a 70 Nm viac ako u doterajšieho 4,8-ky. Porsche zároveň hovorí, že na verziách Panamera Turbo S a Cayenne Turbo S vyrobí cez 600 koní a 810 Nm.
Okrem vysokého výkonu bude nový motor citeľne efektívnejší ako predchádzajúci. Čo znamená, že je to ekonomickejšie. Veď dostane systém na deaktiváciu polovice valcov pri nízkej záťaži (v rozsahu od 950 do 3500 otáčok za minútu), čo zlepší spotrebu paliva o 30 percent.
Twin-turbo V8 je zjednotený s trojlitrovým turbo motorom V6 vyvinutým Audi a bol vytvorený s ohľadom na jeho použitie na modulárnej platforme MLB a podvozku MSB. Prvá architektúra je určená pre automobily s pohonom predných kolies a pohonom všetkých kolies (čítaj: Audi A4, A5, A6 a deriváty vrátane crossoverov) a druhá - s pohonom zadných kolies alebo pohonom všetkých kolies (používa sa na veľké modely Porsche a Bentley).
Preto k novej Panamere a Cayenne pribudne aj štvorlitrový motor motory Audi A6, A8 a Q7 ďalších generácií, ako aj dva modely Bentley – Bentayga a Continental. Napokon, crossover Lamborghini Urus bude s najväčšou pravdepodobnosťou vybavený týmto motorom, ktorý by mal Benteige odobrať titul “najrýchlejšie sériové SUV na svete”.
