В поисках наилучших решений
Правду говорят: нет предела совершенству. ДВС ещё не успел оформиться и укрепиться на рынке, как последовали его многочисленные улучшения и модернизации. Продолжаются они и поныне, когда вся передовая автомобильная общественность уже строит узкие глазки электромоторам. Но, видно, не всё так просто с движением заряженных частиц, раз от старины ДВС никак не откажутся. Значит, он ещё нужен, а идеальный агрегат до сих пор не построен.
В процессе поиска технологического идеала за долгие годы развития происходили различные события. Встречались и радикально-принципиальные новации вроде внедрения альтернативных термодинамических циклов, и более утилитарные усовершествования в виде появления электрического стартера, цепного привода ГРМ, системы фазорегулирования и прочих нововведений.
Были разработаны новые конструкции, формы, кинематические схемы, и всё это – только для того, чтобы моторы на жидком топливе были более эффективны, надёжны и экономичны. Но, как показал инженерный опыт, довольно часто улучшение одного приводит к ухудшению другого. То есть модернизация ДВС – это постоянный компромисс в деле повышения рабочих характеристик.
Технические решения, предложенные Александром Грабовским и защищённые патентами, призваны эту «компромиссность» значительно снизить и улучшить показатели в широком диапазоне характеристик. Давайте обратимся к их сути и поближе с ними познакомимся.
Два вала, два шатуна
Сразу надо сказать, что инженером проделана огромная работа, а предложенный проект – это не просто разрозненные наброски, изложенные широкими мазками да общими словами. Оказавшийся в распоряжении редакции документ представляет собой очень тщательно проработанный труд, который содержит подробное описание устройства и точные расчёты с графиками, таблицами, диаграммами. В нём изложены принципы работы двух новых термодинамических циклов, также защищённых патентами.
Естественно, мы не в состоянии опубликовать работу полностью. Но донести основные аспекты в виде краткого резюме, сформулированного доступным максимально широкому кругу читателей-автомобилистов языком, можем и хотим.
Начнем с главного. Автор работы предлагает оснастить кривошипно-шатунный механизм (КШМ) ДВС двумя коленчатыми валами. Соответственно, и связь между поршнем и коленчатыми валами будет осуществляться через два шатуна по принципу «правый с правым, а левый с левым». При этом к пяткам коленчатых валов крепятся два маховика, связанные между собой зубчатой передачей.
Помимо самой схемы необычна и форма шатунов, которые имеют серповидное очертание и своими наружными выпуклыми сторонами направлены друг к другу.
Работает кривошипно-шатунный механизм со сдвоенными кинематическими связями следующим образом. Крутящий момент, поданный на один из маховиков посредством зубчатой передачи, передаётся на второй маховик. Пришедшие во вращение коленчатые валы таким образом будут вращаться навстречу друг другу и уравновешивать друг друга. Создаваемое кривошипом усилие через серповидные шатуны передаётся на поршни. Перемещаясь от верхней мёртвой точки (ВМТ) к нижней (НМТ), на такте впуска поршень обеспечивает возникновение разрежения в цилиндре и заполнение его воздухом или горючей смесью через открытый впускной клапан (клапаны) газораспределительного механизма.
При точном расчёте хода поршня можно добиться того, что он при такой конфигурации будет более длительное время находиться в нижней мёртвой точке. Это способствует процессу дозарядки цилиндра воздухом или горючей смесью.
В дальнейшем при повороте коленчатых валов начнется движение поршня к верхней мёртвой точке и такт сжатия с одновременным закрытием впускного (впускных) клапана (или клапанов). Оно будет интенсивным, а его завершение до поворота коленвалов на 180° способствует более энергичному нарастанию давления такта сжатия. Как следствие – снижение потерь объёма цилиндра и рабочего тела за счёт отсутствия угла дозарядки и прорыва рабочего тела в картер между уплотнениями компрессионных колец.
При подходе поршня к верхней мёртвой точке на угол опережения зажигания происходит воспламенение рабочей смеси в полости камеры сгорания и практически полное её сгорание в постоянном объёме, так как в этом случае поршень более длительное время находится в верхней мёртвой точке. Это способствует улучшению процесса горения и снижению тепловых потерь.
Давление рабочего тела (газов) на площадь поршня приводит к возникновению силы, действующей на поршень. Под её воздействием поршень перемещается к нижней мёртвой точке. А моменты, возникающие на плече кривошипов, вращают коленчатые валы навстречу друг другу совместно с маховиками.
Далее приведем цитату автора проекта: «При подходе поршня к нижней мёртвой точке открывается выпускной клапан (клапаны) газораспределительного механизма и начинается период свободного выпуска отработавших газов. При этом момент открытия клапана (клапанов) может быть смещён ближе к нижней мёртвой точке, что в значительной степени повышает эффективность теплоиспользования рабочего тела. Более длительное время нахождения поршня в нижней мёртвой точке способствует процессу очистки цилиндра от отработавших газов. Период принудительной очистки цилиндра происходит на такте выпуска за угол поворота коленчатых валов меньше 180°, что способствует более интенсивному выходу отработавших газов, а более длительное время нахождение поршня в верхней мёртвой точке при перекрытии клапанов способствует процессу очистки цилиндра от отработавших газов».
О пользе дела
Согласно расчётам, проведённым конструктором, если механизм сконструировать правильно с оптимальными пропорциями, КШМ такого типа (дезаксиальный) со сдвоенными кинематическими связями имеет целый ряд преимуществ по сравнению с традиционными схемами. Среди них – увеличение объёма цилиндра при неизменном радиусе кривошипов, а также снижение потерь на трение в деталях цилиндропоршневой группы. Кроме того, благодаря такой конструкции удаётся практически полностью уравновесить силы инерции первого и второго порядков, а за счёт снижения скорости перемещения поршня при его нахождении в области ВМТ и НМТ улучшается сгорание рабочей смеси, наполняемость цилиндра, его очистка. К тому же уменьшаются потери объёма цилиндра на такте сжатия, а многие другие параметры (сбалансированность ДВС, обусловленные трением износы, инерционные силы вращающихся масс и прочие) получаются более оптимальными.
В итоге благодаря увеличению коэффициента наполнения цилиндров двигателя и улучшению процесса горения существенно повышается КПД мотора.
Историческая ретроспектива
Идеи, предложенные российским инженером, не новы. Ещё в 1900 году Lanchester Engine Company начала производство Lanchester 8hp Phaeton, в котором использовался оппозитный двухцилиндровый двигатель необычной конструкции. У него было два коленчатых вала, вращающихся в противоположных направлениях. При этом каждый поршень был соединён со своим коленчатым валом толстым шатуном, а с другим валом –двумя более тонкими шатунами. Благодаря этому оба поршня двигались по одной оси. Ланчестер использовал эту конструкцию двигателя недолго – только до 1904 года.
В 60-х годах прошлого века формульная команда BRM решила всех удивить и победить в гонках посредством абсолютно фантастического движка. Ребята объединили два 8-цилиндровых оппозитных мотора, поставив их параллельно. В итоге агрегат под обозначением «Н», полученным по форме конструкции, обзавёлся 16 цилиндрами, 64 клапанами и двумя коленчатыми валами. Но идея не пошла: от мотора, во-первых, не удалось получить запланированных технических характеристик, а во-вторых, он оказался слишком ломучим. Поэтому очень быстро от этого монстра отказались.
В нулевых годах XXI века немецкая компания Neander Motors запустила продажи мотоцикла Neander 1400 Turbodiesel, оснащённого, как ясно из названия, дизельным мотором объемом 1430 кубических сантиметров. Особенностью этого двухцилиндрового агрегата было как раз наличие двух коленчатых валов. Сначала этот мотор планировали поставить на мотоцикл, предназначенный для гонок на Moto GP, затем он перекочевал на спорт-круизер стоимостью около 100 тысяч долларов, и в итоге пошёл в серию лишь как лодочный мотор с сокращением рабочего объёма до 804 куб. см.
Что погубило задумку, не совсем ясно. Возможно, слишком высокая цена для мотоцикла, который бы выдавал 94 л. с. при 4200 об/мин и крутящий момент в 175 Нм при 2600 оборотах. Хотя, может быть, сочетание «мотоцикл и дизель» оказалось для поклонников двухколёсной техники куда страшнее, чем наличие двух коленвалов.
Были и другие примеры реализации или попыток реализации «двухколенвальной» концепции. Но самой удачной оказалась не двух-, а трёхколенвальная, преследовавшая, по сути, те же самые цели. Во время Второй мировой войны британцы прознали, что немцы работают над созданием Junkers Jumo 223 –экспериментального 24-цилиндрового авиационного оппозитного двухтактного дизельного двигателя на базе Junkers Jumo 205. Он состоял из четырёх блоков по шесть цилиндров в ромбовидной конфигурации с четырьмя коленчатыми валами –по одному в каждой вершине ромба. Двигатель был рассчитан на мощность 2500 л.с. при 4400 об/мин и весил около 2370 кг.
У немцев с ним ничего не получилось –по слухам, в конце войны его перевезли в СССР, где, возможно, продолжили разработку. А вот в Соединенном Королевстве за идею зацепились и создали вполне успешный трёхколенвальный движок в компоновочной схеме «треугольник». За такую конфигурацию он получил название «дельтообразный» и эффективно использовался на скоростных судах ВМФ и в железнодорожном транспорте на протяжении нескольких десятилетий.
Но опыт показал, что эти агрегаты довольно капризны и требуют чрезвычайно аккуратного обращения, не терпящего ни малейших компромиссов в обслуживании и нагрузках. К тому же в случае ремонта их в большинстве случаев невозможно было починить локально –требовались демонтаж и проведение работ на специально подготовленных участках. Поэтому сначала двигатели при поломке отправляли производителю, а затем ВМФ и железнодорожники вынуждены были организовать у себя отдельные участки для обслуживания дельтообразных моторов.
Из всего вышеизложенного можно сделать закономерный вывод о том, что сама по себе идея с использованием нескольких коленвалов при правильном расчёте, скорее всего, может оказаться вполне дееспособной. А неудачи целого ряда реализаций связаны не с недостатками концепции как таковой, а с определёнными ошибками, допущенными в процессе разработки и постройки.
Немаловажное значение имеет и текущий ремонт. Связанные с ним вопросы, как показал опыт британской эксплуатации, имеют тоже одно из важнейших значений. Двигатели должны быть ремонтопригодны, а для оптимизации связанных с этим процессов выполнение работ должно преимущественно происходить на месте –в парке или любой другой эксплуатирующей организации либо в стандартной автомастерской на имеющихся у неё мощностях.
Так что предложенный Александром Грабовским проект можно назвать вполне перспективным. Главное только, как признаёт и сам автор, провести дополнительные исследования кинематических и динамических параметров, чтобы лучше понять потенциал конструкции. А также проработать вопросы обслуживания и ремонта в обозначенном ключе.
Для комментирования вам необходимо авторизоваться