CC BY
332
УДК 621. 43: 629. 11
АКСИАЛЬНО-ПОРШНЕВЫЕ ДВИГАТЕЛИ
Э.Л. Топалов, О.В. Куликова
В статье рассматриваются задачи создания экологически чистого двигателя внутреннего сгорания, обладающего высокими показателями мощности и коэффициента полезного действия при отрицательно стабильном показателе расхода топлива и дается анализ аксиально-поршневых двигателей в контексте открытия модернизированных двигателей внутреннего сгорания
Ключевые слова: аксиально-поршневой двигатель
До настоящего времени поршневые двигатели внутреннего сгорания являлись одними из экономичных и простых из всех типов двигателей. Это связано с конструктивными сложными решениями, ограничивающими область применения из-за низкого качества современных материалов, ограничивающих ресурс двигателей (роторно-поршневые двигатели) из-за увеличения зазоров в сопряженных поверхностях трущихся деталей.
Радиально-поршневые насосы-моторы применяются сравнительно редко, зато аксиально-поршневые гидравлические
получили широкое распространение ввиду следующих присущих им положительным качеств:
1) аксиальные устройства по сравнению с
устройствами радиального типа имеют более высокий к.п.д. до 0,95 вследствие малых утечек жидкости в органах распределения, так как при торцевом распределении жидкости имеется возможность постоянного варьирования зазора между
распределительным диском и блоком цилиндров;
2) компактны, имеют оптимальную металлоемкость;
3) применяются для получения весьма высоких давлений.
Однако аксиальные устройства сложны в изготовлении и требуют более тонкой очистки масла, так как инородные частицы, попав в зазор между распределительным диском и блоком цилиндров, нарушают герметичность распределительного узла и приводят к выходу устройства из строя
преждевременно.
Топалов Эдуард Львович - ВГТУ, канд. техн. наук, доцент, тел. (4 732) 52-34-52
Куликова Оксана Валерьевна - ВГТУ, ст.
преподаватель, тел. (4 732) 52-34-52
Очевидным преимуществом
двухтактного двигателя по сравнению с четырехтактным является то, что в нем вдвое чаще совершается рабочий ход, конструкция получается проще и легче ( не требуется клапанный механизм, а маховик может иметь меньшую массу, поскольку он должен провернуть двигатель только на пол оборота, а не на полтора, как в четырехтактном). Однако в двухтактный двигатель приходится подавать больше топливной смеси, чем в четырехтактных той же мощности, поскольку пространство его рабочего цилиндра не полностью освобождается от продуктов сгорания. Кроме того, укорачивается рабочий ход, в конце которого газы уже покидают рабочий цилиндр. Еще одним недостатком двухтактного двигателя являются проблемы со смазкой. В четырехтактном двигателе картер частично заполнен маслом, которое при вращении коленчатого вала разбрызгивается на стенки цилиндра и создает смазку между ними и поршнем; в двухтактном двигателе топливная смесь захватывает брызги масла, проходя в картер и далее в рабочий цилиндр, и они уносятся с отработанными газами, уменьшая смазку цилиндра. Эта проблема решается
добавлением масла в топливную смесь, что приводит к загрязнению выхлопа и ухудшению работы двигателя из-за нагара.
Анализ достоинств и недостатков показывает, что сравнительно небольшие двигатели, для которых легкость,
компактность и простота важнее проблем смазки и загрязненного выхлопа,
предпочтительнее делать двухтактными. Такие двигатели применяются в газонокосилках, небольших мотоциклах и в моделях самолетов. Четырехтактные двигатели чаще делают в виде мощных установок с несколькими рабочими
цилиндрами.
Но все же наиболее надежным и экономичным двигателем для вездеходных тягачей является двухтактный тип двигателя. Современные двухтактные дизельные двигатели внутреннего сгорания имеют один существенный недостаток: громоздкие по конструкции и обладают значительным весом, что ограничивает возможности применения амфибийных машин.
С целью устранения указанных недостатков в качестве альтернативного решения на кафедре Нефтегазового оборудования и транспортировки был спроектирован специальный аксиальнопоршневой двигатель внутреннего сгорания.
В роторе двигателя размещено семь пар аксиально-расположенных поршней, на валу ротора закреплен маховик с шестерней привода компрессора и турбины. Полезная работа рабочего цикла занимает 60°.
Рис.1. Двигатель. Сборочный чертеж.
1- корпус; 2 - диск правый; 3 - диск левый; 4 - вал шлицевой; 5 - головка левая; 6 - головка правая; 7 -крышка левая; 8 - крышка правая; 9 - втулка сферическая; 10 - заглушка верхняя; 11 - патрубок левый; 12 - патрубок правый; 13 - поршень; 14 -опора; 15 - эксцентрик; 16 - сепаратор; 17 - ось; 18, 19 - кольцо компрессионное; 20 - вал; 21 - вал эксцентрика; 22 - пружина; 23 - пружина
пластинчатая; 24 - пружина; 25 - обойма; 26 -форсунка ББ2745; 27 - свеча Ш9А
Каждая из поршневых пар находится в своих внутренних и наружных мертвых точках, а поршни не одновременно подходят к своим мертвым точкам. Поршень со стороны маховика при встрече в ВМТ запаздывает на угол 9°...12°. Воздух в цилиндры двигателя поступает из ресивера через продувочные окна в гильзе. Продукты
сгорания удаляются из цилиндра через выпускные окна в выпускной коллектор. Периоды поступления воздуха и удаление продуктов сгорания определяются моментами открытия соответствующих окон гильзы, которые открываются и закрываются поршнями. Топливовпрыскивающая аппаратура подает топливо в среднюю часть цилиндра через форсунку. Воздух в двигатель поступает от турбокомпрессора с приводом от шестерни маховика.
Продукты сгорания из выпускного коллектора направляются в газовую турбину турбокомпрессора, где часть энергии преобразуется в механическую работу турбины. Часть продуктов сгорания топлива дожигается в турбокомпрессоре, а часть поступает обратно в цилиндр, что обеспечивает более полное сгорание. Объем рабочей части цилиндра двигателя изменяется в результате движения обоих поршней в гильзе. При условном разделении этого объема плоскостью, проходящей по оси топливной форсунки, объемы, образуемые между поверхностями головок поршней и выбранной условной плоскостью, изменяются в зависимости от угла фн, поворота вала ротора (рис. 2)
Рис. 2. Изменение объема цилиндра V, сечений выпускных Ев и впускных Ек, окон в зависимости от угла ф поворота вала ротора двигателя:
Vн - объем правой полости цилиндра; V!, - объем левой полости цилиндра.
Значение наименьших и наибольших объемов для обоих поршней в цилиндре смещены по фазе на угол ф0. Суммарный объем VI; изменяется в зависимости от угла фн. Наименьшее значение суммарного объема ^тт соответствует углу поворота вала ротора фп = фо /п, где п - число
цилиндров в двигателе. При анализе
процессов, происходящих в цилиндре
двигателя, принят в качестве начала
координат момент наименьшего суммарного объема цилиндра. Отчет углов производится от этого момента по шкале ф = фн - ф0/п. При ф = 0° суммарный объем цилиндра
наименьший, и это положение называют внутренней объемной мертвой точкой (ВОМТ); наружная объемная мертвая точка (НОМТ) соответствует ф = 180°С.
Выпускные окна открываются при угле фв, когда поршни не достигли положений, соответствующих НОМТ, и закрываются при угле фве после НОМТ. Впускные окна открываются и закрываются с некоторым запаздыванием по отношению к выпускным при углах фк и фке.
Функции газораспределительных органов выполняют движущиеся поршни и окна в гильзе цилиндра. Углы фв, фве, фк и фке определяют фазы газораспределения. В полярных координатах положение фаз газораспределения по углу фн представлено на рисунке 3.
Рис. 3. Фазы газораспределения аксиально-поршневого двигателя: 1 - впускные окна; 2 - выпускные окна
Топливо в цилиндр подается с опережением 3°...5° до ВОМТ.
Продолжительность подачи топлива зависит от нагрузки двигателя.
Параметры состояния воздуха и газов в цилиндре во впускном ресивере и выпускном коллекторе представлены на рисунке 4.
Рис.4. Индикаторная диаграмма аксиально-
поршневого двигателя: а - в координатах Р - ф; б - в координатах Р - V
Заполнение цилиндра совершается за счет инерционных сил потока воздуха,
возникающих вследствие изменения скорости его прохода через впускные окна. После закрытия впускных окон начинается процесс сжатия, по окончании которого происходит впрыск топлива через форсунку.
Данный тип двигателя вдвое уменьшает выбросы вредных отработавших газов в атмосферу. В двухтактном цикле в отличие от четырехтактного отсутствует два вспомогательных такта - наполнение и выпуск. Очистка цилиндров от продуктов сгорания и наполнение его воздухом происходит в части основных тактов -сжатия и рабочего хода. В связи с этим часть рабочего объема цилиндра до 25% затрачивается на очистку и наполнение цилиндров. Количество цилиндров в револьверном роторе двигателя может быть как четным, так и нечетным. Диаметр цилиндра и ход поршня выбираются исходя из требуемой мощности, крутящего момента и вида топлива. С увеличением числа и диаметра поршней двигателя значительно увеличиваются мощностные характеристики аксиально-поршневых двигателей.
Литература
1. Патент РФ №2313675. Аксиальнопоршневой двигатель // Э. Л. Топалов, Н. И. Куликова // БИ, 2007, №36.
2. Транспортные машины с
газотурбинным двигателями / Н. С. Попов и др.
3. Двигатель внутреннего сгорания:
Конструирование и расчёт на прочность поршневых и комбинированных двигателей. Учеб. Для ВУЗов. Под ред. А. С. Орлина, М. Г.
4. Калина И. Двигатели для
спортивного моделизма. 4.2, Пер. с чешск. Е. Г. Соломоновой. М. : ДОСААФ, 1988.-333 с.
5. Райков И. Я., Рытвинский Г. Н.
Автомобильные двигатели внутреннего
сгорания. Учеб. Для ВТУЗов. М. : Высшая школа, 1970.-432 с.
6. Тарасик В.П. Проектирование
колесных тягово-транспортных машин.
Минск: Высшая школа, 1984.-163с.
7. Лукинский В.С., Зайцев Е.И.
Прогнозирование надежности автомобилей. Л.: Политехника, 1991. - 224с.
Воронежский государственный технический университет
AXIAL - PISTON MOTORS E.L. Topalov, O.V. Kulikova
In this article the main task of creating ecologically clean internal - combustion engine is for mulated . Such engine must have high power and efficiency index and stable low fuel consumption rate. Also in this paper the analysis of axial -piston motors is given in the context of internal - combustion egine modernization Key words: axial - piston motor
