[tt]Многоцелевой 4-тактный дизельный двигатель прямого впрыска с двухступенчатым наддувом на основе кривошипно-ползунного механизма Баландина.
С 1994 г. мы занимаемся разработкой и изготовлением опытных образцов дизельных моторов на основе механизма С.С.Баландина. В нашей лаборатории были спроектированы и построены 2 действующих образца, представляющие собой компактные автомобильные V-образные 4-цилиндровые дизели объемом 2 и 2.8 литра расчетной мощностью 50 и 100 kW соответственно.
Новый проект дизельного двигателя также базируется на проектах Баландина, которые разрабатывались в России во время и после 2-й Мировой войны в виде форсированных и высоконадежных двигателей, в первую очередь для тяжелых бомбардировщиков. По ряду исторических и технологических причин эти разработки не получили промышленного развития в свое время, несмотря на существенные потенциальные преимущества, которые общепринятая концепия двигателя на основе кривошипно-шатунного механизма не может дать в принципе, о чем будет сказано далее. Модернизация механизма, проведенная автором, позволяет решить ряд технологических проблем, возникающих при серийном изготовлении подобных двигателей. В процессе испытаний опытные образцы доказывают перспективность и преимущества данного направления в моторостроении. Проект опирается на доступный на сегодня уровень машиностроительной технологии (термодинамика рабочего процесса, конструкционные материалы, подшипники скольжения и качения, уплотнения цилиндр-поршень, топливная аппаратура, навесное оборудование), и не подразумевает столь радикального изменения технологии производства, какого требует, скажем, изготовление роторно-поршневых моторов. Заметно отличаясь по внутренней конструкции и имея серьезные преимущества в потребительских качествах, данный двигатель внешне незначительно отличается от аналогичного мотора традиционной схемы.
В результате испытаний первых двух образцов опыт проектирования был критически осмыслен, в результате чего был спроектирован и изготовлен новый двигатель, являющийся развитием этой технологии. Это оппозитный 4-цилиндровый дизель с непосредственным впрыском и двойным наддувом (турбокомпрессор + механический наддув из подпоршневого пространства. Совместная работа со специалистами из Днепропетровска, Харькова и Павлограда расширила наши возможности в плане применения новых материалов и технологий изготовления подшипников скольжения, поршневых уплотнений и других узлов, что позволило в совокупности с новой конструкцией подшипников существенно увеличить их несущую способность, уменьшив при этом вес и сохранив приблизительно габариты и себестоимость изделий.
Кроме того, было проведено эскизное проектирование и прочностное моделирование наиболее нагруженных элементов оппозитного дизеля на основе классического КШМ, имеющего ту же размерность (D85, H88 мм), тот же рабочий процесс (головки, камеры сгорания и топливную аппаратуру) и примерно те же габаритные размеры, что и наш на основе БШМ. Это было сделано в первую очередь для того, чтобы более критично оценить ожидаемые преимущества бесшатунного двигателя. Наличие трехопорного коленвала в спроектированном оппозитном двигателе с КШМ, конечно, является недостатком, но зарубежная многолетняя практика эксплуатации оппозитных бензиновых моторов с экстремальным форсированием (Subaru, Porshe, Ferrari, VW) позволяет предположить, что проблема усталостной прочности коленвала является разрешимой.
Выводы, сделанные из сравнения двигателей обоих проектов, не во всем совпали с нашими ожиданиями. Например, при организации подпоршневого наддува в бесшатунном двигателе преимущество БШМ в габаритных размерах при реальном проектировании (т.е. с учетом прочностного моделирования и выполнения условий балансировки механизма) нивелируется, а масса бесшатунного двигателя с подпоршневым наддувом несколько превышает массу КШМ-аналога без подпоршневого наддува.
Перечислим основные особенности нового двигателя с БШМ:
1. 2-ступенчатый наддув (турбокомпрессор + подпоршневой объемный нагнетатель), позволяющий получить выгодную характеристику крутящего момента от оборотов; на низких оборотах дополнительную подачу воздуха обеспечивает подпоршневой нагнетатель, осуществляющий наддув тыльной стороной поршня двигателя по простому компрессорному циклу, на высоких оборотах и нагрузках – турбина. При этом избыток давления турбины, обычно сбрасываемый ее байпасным клапаном, при повышенных нагрузках может быть утилизирован подпоршневым нагнетателем, что приводит к дополнительному увеличению крутящего момента и увеличению полного КПД двигателя.
Подпоршневая компрессорная полость отделена от механизма двигателя, что предотвращает контакт смазочного масла с «картерными» газами. Совместно с примененной несмазываемой парой «металлокерамическая гильза – углекомпозитные кольца» данное решение снимает проблемы старения и частой замены масла, а также токсичности выхлопа в части продуктов угара масла (бензпирен).
2. Повышенный механический КПД механизма (0.92 против обычных 0.84) обеспечивается переносом трения юбки поршня о гильзу из “горячей” зоны с ухудшенными условиями смазки внутрь механизма, где используются линейные подшипники скольжения с обычной жидкостной смазкой. Также это приводит к заметному увеличению ресурса цилиндропоршневойhгруппы.
3. Увеличенный тепловой КПД обеспечивается иным законом движения поршня. Расчетное уменьшение расхода топлива по этой позиции – около 5 – 7 %. При прочих равных условиях в таком двигателе поршень находится дольше возле ВМТ, что увеличивает долю топлива, сгоревшего при постоянном объеме.
4. Поскольку закон движения поршня точно соответствует синусному, механизм уравновешивается простыми средствами. Силы инерции 1-порядка уравновешиваются противовесами, присоединенными к силовым элементам механизма. Силы инерции высших порядков здесь не возникают.
5. Использование ряда конструкторских решений позволяет в качестве материала для изготовления всех корпусных и некоторых силовых элементов технически обоснованно использовать алюминиевые сплавы и композитные материалы. Это привело к снижению массы двигателя до 130 кг, с возможностью дальнейшего улучшения этого параметра.
6. Использование прямого гидростатического привода клапанов дизеля позволяет упростить конструкцию мотора с раздельными головками цилиндров и сделать ее более компактной, а также повысить надежность конструкции в целом.
7. Организация приводов вспомогательного оборудования от общей гитары (косозубые передачи) существенно повышает надежность механизма и значительно облегчает монтаж–демонтаж всех его элементов.
Одной из главных задач при проектировании нового дизеля была задача снижения токсичности выхлопа. Известно, что в результате сгорания масла со стенок цилиндров двигателя в его выхлопе содержится высокотоксичное вещество бензпирен C20H12, которое является сильным канцерогеном. Предполагается, что в будущем бензпирен станет одним из факторов, принципиально лимитирующих достижение двигателями внутреннего сгорания все более ужесточающихся норм токсичности выхлопа. Идея состоит в том, чтобы вовсе отказаться от смазки стенок цилиндра маслом и достичь нулевого уровня расхода масла на угар путем применения несмазываемой пары поршень-гильза.
Как известно, при правильной работе кривошипно-ползунного механизма поршень не касается стенок цилиндра, поэтому он был изготовлен из легированной стали. Поршневые кольца выполнены из углеродной композиции (твердая углеродная матрица, заполненная мягким графитным порошком с добавкой дисульфида молибдена, со связкой на основе теплостойкого полимера). Втулка цилиндра (гильза) выполнена из алюминиевого сплава, покрытого слоем ү-окиси алюминия методом микродугового оксидирования. Работа такого узла напоминает работу щеточного узла коллекторного электродвигателя. Для обеспечения достаточной теплопередачи поршневые кольца выполнены массивными и поджаты изнутри к стенкам цилиндров пружинным экспандером наподобие тех, что применяются в обычных маслосъемных кольцах. Охлаждение стального поршня обеспечивается воздухом подпоршневого компрессора с учетом того, что расход этого воздуха значителен.
При работе такой конструкции в двигателе с обычным КШМ предлагаемая схема уплотнения имела бы худшую работоспособность, поскольку кольца там имеют значительную подвижность в радиальном направлении относительно поршня, совершающего перекладки между стенками цилиндра в районе ВМТ и НМТ, а также совершающего опрокидывающее движение относительно оси пальца. В нашем случае величина перекладок поршня меньше, опрокидывание отсутствует, поэтому требования к механической прочности уплотнений цилиндров значительно снижаются. Газы, прорвавшиеся через поршневые уплотнения, также не контактируют с маслом и направляются подпоршневым нагнетателем непосредственно на впуск двигателя для дожигания, что обеспечивает их полную рециркуляцию. Теми местами в двигателе, где еще может происходить реакция окисления и старения масла, остается “горячее” уплотнение турбокомпрессора и направляющие втулки клапанов, однако эти проблемы могут быть решены известными способами. Таким образом, в случае успешного развития описанной идеи, можно надеяться на появление конструкций автомобильных двигателей с многократно увеличенными межсервисными пробегами, в которых замена масла будет производиться через 100 или даже 200 тыс. км. Идея такого принципа построения двигателя, при всей ее привлекательности, нуждается в тщательной экспериментальной проверке, ради чего и были построены опытные образцы описываемых дизелей. Задача-максимум здесь для нас состоит в том, чтобы создать двигатель, который вообще не нуждался бы в замене смазки в течение всего срока эксплуатации – аналогично тому, как это практикуется в механических КПП многих современных легковых автомобилей.
(продолжение следует)
[/tt]
