Анализ компоновок двигателей для судовых и наземных транспортных средств

УДК 621.431

О. А. Зайкин

АНАЛИЗ КОМПОНОВОК ДВИГАТЕЛЕЙ ДЛЯ СУДОВЫХ И НАЗЕМНЫ1Х ТРАНСПОРТНЫ1Х СРЕДСТВ

Двигатели внутреннего сгорания, используемые на автономном транспорте (суда и автомобили), несовершенны. Причиной тому их технические характеристики и эксплуатационные показатели работы: большая масса и габариты, существенные для мобильного транспорта; вибрация от неуравновешенности рабочего движения; грязный выхлоп от рабочего процесса; экономически невыгодное потребление топлива и др. Поставлена задача - разработать новый привод двигателя внутреннего сгорания, для которого эти показатели являются стратегически важными при компоновке и конструировании. Новый двигатель должен обладать малыми габаритами и массой, быть уравновешенным, экономически выгодным по потреблению топлива и экологическим по выхлопным газам, при высокой выходной мощности. Для решения задачи предложен зубчатый дифференциальный механизм с новой схемой, в котором прямолинейное движение формируется без направляющей и шатуна. За основу новой схемы дифференциала взят планетарный бесшатунный механизм, используемый в авиационных двигателях. Его недостатком является конструкция разрезного водила, нарушающая жесткость привода и снижающая достоинства схемы - отсутствие реакций в ци-линдропоршневой группе при имеющемся эффекте точного прямолинейного движения. В отличие от базового бесшатунного планетарного механизма, дифференциальные схемы имеют геометрию звеньев, независимую от эксцентриситета водила, что позволяет конструировать привод с неразрезным многоопорным водилом. Разработана компоновка четырехцилиндрового двигателя, мощность которого в два раза превышает мощность четырехцилиндрового типового двигателя. Полученные размеры и масса значительно меньше эквивалента.

Ключевые слова: привод, планетарный механизм, дифференциал, двигатель.

Введение

В энергетике автономных транспортных систем (водный, воздушный и автомобильный транспорт) всегда остро стоит вопрос о разработке силовых установок с малым удельным массовым показателем на единицу мощности. Решение этого вопроса позволит получить малогабаритные двигатели облегченного типа для вспомогательных энергообеспечивающих агрегатов мобильных транспортных средств или гибридных энергетических систем транспорта. Мощные малогабаритные двигатели можно объединять в энергетический комплекс, например, на судах с большой эксплуатационной мощностью главной силовой установки. Это направление давно разработано, но сдерживается отсутствием нужного базового агрегата по энергетике и габаритам. Деление мощности на параллельные потоки позволяет варьировать ее потребление с максимальной эффективностью.

Как показывает практика альтернативных проектов, такие двигатели внутреннего сгорания (ДВС) имеют высокие экономические показатели по расходу топлива, уравновешенности схемы, экологичности выхлопа и др. В то же время сдерживающим фактором их широкого применения являются малый рабочий ресурс и нетехнологичность конструкции, определяющая сложность изготовления и ремонта. Примерами могут служить двигатель Стирлинга с ромбическим механизмом Ланчестера, роторно-поршневой двигатель Ванкеля, двигатель барабанного типа с косой шайбой, бесшатунный двигатель Баландина разных модификаций и т. д.

Постановка проблемы

Конструктивная форма двигателя, его габаритные размеры в значительной мере зависят от механизма передачи движения. Именно поэтому поиск новых технических решений с целью повысить компактность двигателей и улучшить их эксплуатационные свойства связан с поиском новых типов механизмов передачи движения. В связи с этим, мной были разработаны новые схемы механизмов (рис. 1) особой кинематики дифференциального типа [1-5]. Достоинствами этих механизмов являются: - возможность полного уравновешивания механизма [1];

- формирование в схеме точного прямолинейного поступательного движения для ци-линдропоршневой группы (ЦПГ);

- предельно малые габариты конструкции;

- применение в конструкции технологичных типов зубчатых и рычажных звеньев с известной степенью надежности и высоким ресурсом.

Рис. 1. Схемы дифференциалов с точным поступательным движением точки на сателлите: а - схема 1; б - схема 2; в - схема 3; г - схема 4

Базовой схемой разработки стал планетарный синусный механизм эллипсографа, который в свое время был применен С. С. Баландиным для проектов авиационных ДВС [6]. Разработка не нашла своего продолжения в связи с выявленным фактом потери эффекта высокого КПД и ресурса.

Это было связано с наличием в схеме разрезного водила (рис. 2), не обеспечивающего требуемую жесткость звеньев силовой группы и создающего существенные перекосы в ЦПГ.

Рис. 2. Эскиз сборки ДВС с планетарной схемой

Основная причина этой проблемы - жесткое условие геометрической зависимости диаметра зубчатых колес от короткого хода тронковой схемы ДВС.

Решение проблемы

В предложенных дифференциальных схемах эффект точного прямолинейного поступательного движения без шатуна и направляющей сохраняется, но звенья имеют свободные проектные размеры и позволяют сконструировать неразрезное водило для обеспечения требуемой жесткости ЦПГ (рис. 3).

Рис. 3. Сборный коленчатый вал - водило

На базе схемы 1 были разработаны силовые модули с двумя толкателями на 4 цилиндра и с одним толкателем на 2 цилиндра (рис. 4).

Рис. 4. Компоновочное решение 4-цилиндрового поршневого механизма с развалом 90' и 2-цилиндрового поршневого механизма с развалом 0°

С учетом способности этих схем формировать двухсторонний рабочий процесс, был получен 8-цилиндровый четырехтактный двигатель и 4-цилиндровый двухтактный двигатель с раздельным рабочим и картерным пространствами. Это позволяет отделить смазочный режим от рабочего и не сжигать масло. Можно также применить конструкцию сухого картера и ЦПГ без смазки цилиндров. Конструкции сухого картера уже были отработаны ранее, например в ро-торно-поршневом двигателе ККМ-502 фирмы Ши (ФРГ). Уплотнение ротора было выполнено из материала на угольно-графитовой основе, двигатель имел мощность 36,78 кВт при 6 000 об/мин.

Существует также опыт использования стальных колец с покрытием в двухтактных карбюраторных двигателях. Например, на двухтактном немецком двигателе спортивного мотоцикла М2 использовалось стальное кольцо высотой 1,25 мм, покрытое твердым хромом. На поршне двухтактного японского мотоцикла «Ямаха» применяли по одному стальному кольцу высотой 0,6 мм с упругостью, обеспечивающей удельное давление 2,5 кг/см2, с тефлоновым покрытием (парадокс в том, что фторопласт или тефлон обычно используется до температуры 400 °С). Кро-

ме того, двухтактные двигатели имели кривошипно-камерную продувку, т. е. масляный картер отсутствовал и интенсивного охлаждения поршней капельным маслом с тыльной стороны поршня, как это бывает в четырехтактных двигателях, не происходило.

Известен ДВС [7] на основе двухкривошипного механизма Галловея, имеющий раздельные рабочий и приводной отсеки и двухсторонний рабочий процесс на каждом поршне.

Назначение первой ступени механизма - преобразование возвратно-поступательных движений двух спаренных поршней в качательное движение шестерни первой ступени под углом 180°. Механизм формирования движения представляет собой четырехтактный 4-цилиндровый реечно-шестеренный свободнопоршневой двигатель.

Назначение второй ступени механизма - преобразование качательного движения шестерни первой ступени механизма с углом поворота 180° в непрерывное одностороннее вращательное движение выходного вала двигателя. Механизм передачи движения (рис. 5) представляет собой двухступенчатый спаренный шестеренно-кривошипный консольный механизм.

Две пары поршней

3

Рис. 5. Реечно-поршневой двигатель: I - поршневой блок; II - блок формирования вращения;

1 - двухсторонний поршень; 2 - реечная передача; 3 - механизм Галловея; 4 - маховик

Двухсторонние поршни позволят увеличить нагрузки на вал в 2 раза, а подбор передаточных чисел между шестернями второй ступени - обеспечить «любую» частоту вращения выходного вала без изменения мощности двигателя. И все же, наличие рычагов в механизме Галловея является недостатком привода этого ДВС. Расчетное сравнение параметров реечного ДВС с параметрами российского малоразмерного двигателя 4ЧСП 9,5/11 показало улучшенные технические параметры (табл. 1) [7].

Таблица 1

Показатели малоразмерных тепловых двигателей

Показатель Двигатель 4ЧСП 9,5/11 Реечно-поршневой двигатель

Число поршней, шт. 4 2

Диаметр поршня, мм 47,5 48

Ход поршня, мм 110 265

Средняя скорость поршня, м/с 6,96 8,37

Мощность, кВт 25 42

Частота вращения вала, с-1 31,6 31,6

Среднее эффективное давление, МПа 0,68 0,7

Масса, кг 400 67

Удельная масса, кг/кВт 16 1,6

Предложенный мной механизм двигателя является универсальной схемой как прямого, так и разгруженного действия. Он состоит из первой ступени - четырехпоршневого зубчато-дифференциального механизма и второй ступени - зубчатого замыкающего механизма.

Если снять крутящий момент через хвостовик водила, то получим двигатель прямого действия с выходным звеном, воспринимающим нагрузку.

Если выходом является вал замыкающей шестерни, то получим двухконтурный принцип с разгруженным выходным валом, на котором можно менять частоту вращения подбором чисел зубьев шестерен в замыкающей углом ступени без изменения мощности рабочей ступени.

Двигатель состоит из корпуса с четырьмя цилиндрами, расположенными попарно под углом 90° (см. рис. 4). В цилиндрах установлены связанные общим толкателем два поршня. Штоки толкателей проходят через уплотнения днищ цилиндров, образуя цилиндровые полости штоково-го пространства. Функционально они могут быть рабочими или компрессорными. Шарниры толкателей посажены на подшипники качения на две шейки сателлитной шестерни, сидящей также на подшипниках качения на водиле, которое выполнено в сборном варианте (см. рис. 3). Водило на подшипниках качения опирается на корпус, как и центральное дифференциальное колесо с основным и замыкающим венцами. Между шестерней на водиле и зубчатым венцом на центральном колесе установлена замыкающая шестерня с опорными подшипниками в корпусе. Дополнительные замыкающие шестерни снимают мощность на механизмы обеспечения работы двигателя.

Если применить четырехтактный режим и двухсторонний независимый процесс (рис. 6), то на восьми цилиндрах будет также 4 рабочих режима за один оборот.

Рис. 6. Возможная конструкция ЦПГ двухстороннего действия

Наибольший интерес вызывает двухтактный режим работы двигателя, при котором отсутствует газораспределительный механизм (ГРМ) ЦПГ и рабочее движение присутствует на каждом ходе каждого поршня, что обеспечивает плавность хода и высокую мощность двигателя. Каждый рабочий ход происходит в 1/4 оборота вала водила, т. е. двигатель работает за один оборот, как четыре одноцилиндровых двухтактных.

При увеличении рабочего объема компрессорного цилиндра (штоковая область) получаем всасывание с подкомпрессией, что равносильно наддуву. Этот процесс можно регулировать специальным электромагнитным клапаном сброса давления в режиме малых нагрузок.

В двухтактном режиме двигатель работает следующим образом. При перемещении поршня первого цилиндра от н. м. т. к в. м. т. в компрессорный цилиндр всасывается свежий воздух через подпружиненный клапан без ГРМ или с электромагнитным открыванием. В рабочем цилиндре реализуется такт смесеобразования и сжатия рабочей смеси. При перемещении поршня первого цилиндра от в. м. т. к н. м. т. рабочем цилиндре происходит рабочий такт расширения сжигаемой смеси до 2/3 хода поршня, после чего открываются выпускной клапан для впуска отработанного газа и впускной клапан из компрессионного цилиндра для свежего воздуха. При этом происходит продувка рабочего цилиндра.

Если ввести в конструкцию ступенчатый цилиндр, то формируется третье поршневое пространство, которое можно использовать в качестве расширителя для выхлопных газов (рис. 7). Такая конструкция двигателя исключает систему глушения звука выхлопа, т. к. отработанные газы из меньшего объема рабочего цилиндра попадают в больший, расширяющийся объем цилиндра-расширителя, где теряют давление и остывают, что приводит к потере шумовой способности.

Воздух Воздух

Рис. 7. Возможная компоновка ДВС двухтактного типа на четыре рабочих цилиндра

Из табл. 2 следует, что новый двигатель по техническим параметрам совершеннее других схем.

Таблица 2

Расчетные показатели одного модуля дифференциального ДВС

Показатель Кривошипно-шатунный механизм ДБШМ

Число поршней, шт. 2 2

Диаметр поршня, мм 95 95

Ход поршня, мм 80 80

Средняя скорость поршня, м/с 10,19 10,19

Мощность, кВт 30,28 60,45

Рабочий объем, л 0,58 1,13

Частота вращения вала, об/мин 4000 4000

Среднее эффективное давление, МПа 0,8 0,8

Относительная масса 100 0,25-0,5

Удельная масса, кг/кВт 3,3 0,41-0,81

Известно, что относительная масса дизелей оппозитного типа у разных производителей колеблется до минимального значения - 1,68. В рассмотренном реечно-поршневом двигателе [7] этот параметр составляет 1,6.

Заключение

Предложены варианты применения новых схем зубчатых дифференциальных механизмов в приводах судовых и автомобильных двигателей. В отличие от традиционных они обладают следующими преимуществами.

1. Двухкратный потенциал повышения мощности при почти тех же габаритах (поршни двойного действия).

2. Возможность форсировать обороты с применением двухтактного режима (поршни двойного действия).

3. Возможность формировать гибридную силовую установку («ДВС-Пневмо», «ДВС-Электро», тригибрид с линейным электрогенератором).

4. Меньшая масса - в 2-3 раза (свойство бесшатунных схем).

5. Меньшие габариты - в 1,5-3 раза (свойство бесшатунных схем).

6. Повышенная энергоэффективность - на 20-40 % (зависит от энергоносителя).

7. Меньшая инерционность - на 10-50 % (только силы инерции первого порядка).

8. Возможность схемного оппозитного уравновешивания.

9. Повышенная долговечность - в 1,3-1,7 раза (нет шатунов и лишних ползунов).

10. Улучшенная экологичность - в 2-3 раза (из-за синусного закона, склонностью к альтернативной энергетике).

11. Возможность применять электродвигатели с частотой вращения более 5 000 об/мин.

12. Возможность внутрисхемно применять пневмо- или гидроэнергию для рабочего процесса (всегда в потенциале поступательное движение).

Весь предложенный комплекс разработок может быть использован в практике проектных организаций для создания ДВС с предельно малыми габаритами и массой, с многовариантной кинематикой выхода, с мягкой динамикой движения звеньев и управляемостью рабочим процессом, обладающих повышенным ресурсом и ремонтопригодностью в энергетических установках судовых и прочих транспортных систем.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Зайкин О. А. Совершенствование приводов транспортно-технологических машин использованием бесшатунного зубчатого дифференциала: дис. ... канд. техн. наук / О. А. Зайкин. Волгоград, 2014. 173 с.

2. Пат. 2102644 Российская Федерация, МКП 6 F16 Н37/16, 19/02. Механизм точного прямолинейного движения точки / Зайкин О. А.; заявл. 24.06.1992; опубл. 20.01.1998; Бюл. № 2.

3. Пат. 2125195 Российская Федерация, МКП 6 F16 Н37/16. Замкнутый дифференциал с точкой точного прямолинейного движения / Зайкин О. А. заявл. 16.08.1994; опубл. 20.01.1999; Бюл. № 2.

4. Пат. 2196264 Российская Федерация, МКП 7 F16 Н37/16. Дифференциальный механизм с кинематическим принципом создания точного прямолинейного движения точки на охватывающем сателлите / Зайкин О. А. Заявл. 15.05.1998; опубл. 10.01.2003; Бюл. № 1.

5. Пат. 2196265 Российская Федерация, МКП 7 F16 Н37/16. Многосателлитный дифференциал с точным прямолинейным движением точек на сателлитах / Зайкин О. А. заявл. 15.05.1998; опубл. 10.01.2003; Бюл. № 1.

6. Баландин С. С. Бесшатунные двигатели внутреннего сгорания / С. С. Баландин. М.: Машиностроение, 1972, 176 с.

7. Мусаев М. А. Улучшение эксплуатационных качеств и показателей ДВС на основе новых конструктивных схем / М. А. Мусаев, М. М. Аливагабов // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. 2008. № 5 (46). С. 128-131.

Статья поступила в редакцию 10.10.2014, в окончательном варианте - 23.10.2014

ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРЕ

Зайкин Олег Аркадьевич - Россия, 414056, Астрахань; Астраханский государственный технический университет; канд. техн. наук; доцент кафедры «Техника и технология наземного транспорта»; satellit8583@yandex.ru.

O. A. Zaikin

ANALYSIS OF THE COMPONENTS OF THE ENGINES FOR MARINE AND LAND TRANSPORT

Abstract. Internal combustion engines used on a stand-alone transport, including ships and vehicles, up to the present time are imperfect machines. The reason of it is their technical characteristics and operational performance: a large mass and dimensions, the vibration from the imbalance of the labour movement, dirty exhaust from the workflow, poor efficiency for fuel and others. Thus, there was formulated a task of developing a new drive of the internal combustion engine for propulsion of the ship, automobile or other transportation systems, for which these indicators are strategically important for its layout and design. A new engine must have small dimensions and weight, be balanced, economical on fuel and environmental on exhaust gases at high output power. To solve this problem, the differential gear mechanism with a new scheme, in which the linear motion is generated without the guide and rod. The planetary without piston mechanism, used in aviation engines, is taken as a basis of the new scheme of differential. Its disadvantage is the design of the split carrier that violates the rigidity of the drive and reduces the advantages of the scheme -the lack of reaction in the cylinder group when the effect of accurate rectilinear motion in the mechanism. Unlike the basic without piston planetary mechanism, the differential schemes have the geometry of the links independent from the eccentricity of the planetary carrier that allows us to design the drive with continuous multisupport planetary carrier. The layout of the four-cylinder engine, the capacity of which is twice higher than the capacity of four-cylinder typical engine, is developed. The received sizes and weight are much less than the equivalent.

Key words: drive, planetary mechanism, differential, engine.

REFERENCES

1. Zaikin O. A. Sovershenstvovanie privodov transportno-tekhnologicheskikh mashin ispol'zovaniem besshatunnogo zubchatogo differentsiala. Dis. kand. tekhn. nauk [Improvement of the drives of transport and technological machines using without piston gear differential. Dis. cand. tech. sci.]. Volgograd, 2014. 173 p.

2. Zaikin O. A. Mekhanizm tochnogo priamolineinogo dvizheniia tochki [Mechanism of accurate direct movement of the points]. Patent RF, no. 2102644, 1998.

3. Zaikin O. A. Zamknutyi differentsial s tochkoi tochnogo priamolineinogo dvizheniia [Closed differential with the point of accurate direct movement]. Patent RF, no. 2125195, 1999.

4. Zaikin O. A. Differentsial'nyi mekhanizm s kinematicheskim printsipom sozdaniia tochnogo priamolineinogo dvizheniia tochki na okhvatyvaiushchem satellite [Differential mechanism with kinematic principle of accurate direct movement of the point at the embracing satellite]. Patent RF, no. 2196264, 2003.

5. Zaikin O. A. Mnogosatellitnyi differentsial s tochnym priamolineinym dvizheniem tochek na satellitakh [Multi-satellite differential with accurate direct movement of the points at satellites]. Patent RF, no. 2196265, 2003.

6. Balandin S. S. Besshatunnye dvigateli vnutrennego sgoraniia [Without piston internal combustion engines]. Moscow, Mashinostroenie Publ., 1972. 176 p.

7. Musaev M. A., Alivagabov M. M. Uluchshenie ekspluatatsionnykh kachestv i pokazatelei DVS na os-nove novykh konstruktivnykh skhem [Improvement of the operational parameters and indices of ICE based on the new constructive schemes]. Vestnik Astrakhanskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta, 2008, no. 5 (46), pp. 128-131.

The article submitted to the editors 10.10.2014, in the final version - 23.10.2014

INFORMATION ABOUT THE AUTHOR

Zaikin Oleg Arkadievich - Russia, 414056, Astrakhan; Astrakhan State Technical University; Candidate of Technical Science; Assistant Professor of the Department 'Technics and Technology of Land Transport"; satellit8583@yandex.ru.